Linux 高性能服务器编程——socket选项

socket选项函数

功能：用来读取和设置socket文件描述符属性的方法

函数：

#include <sys/scoket.h>
int getsockopt ( int sockfd, int level, int option_name, void* option_value, socklen_t* restrict option_len );
int setsockopt ( int sockfd, int level, int option_name, const void* option_value, socklen_t option_len);

socket选项表如下，需要的时候请按下表进行搜索：

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       getsockopt和setsockopt 这两个函数成功时返回0，失败时返回-1并设置errno。

       对于服务器而言，有部分socket选项只能在调用listen系统调用前针对监听socket设置才有效。这是因为连接socket只能由accept调用返回，而accept从listen监听队列接受的连接至少已经完成了TCP三次握手的前两个步骤（因为listen监听队列中的连接至少已进入SYN_RCVD状态），这说明服务器已经往被接收连接上发送出了TCP同步报文段。但有的socket选项却应该在TCP同步报文段中设置，比如TCP最大报文段选项。对这种情况，linux给开发人员提供的解决方案是：对监听socket设置这些socket选项，那么accept返回的连接socket将自动继承这些选项。这些选项包括：SO_DEBUG、SO_DONTROUTE、SO_KEEPALIVE、SO_LINGER、SO_OOBINLINE、SO_RCVBUF、SO_RCVLOWAT、SO_SNDBUF、SO_SNDLOWAT、TCP_MAXSEG和TCP_NODELAY。

       对于客户端而言，这些socket选项则应该在调用connect函数之前设置，因为connect调用成功返回之后，TCP三次握手已完成。

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SO_REUSEADDR选项

前面讨论过TCP连接的TIME_WAIT状态，并提到服务器程序可以通过设置socket选项SO_REUSEADDR来强制使用被处于TIME_WAIT状态的连接占用的socket地址。

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

int main( int argc, char* argv[] )
{
    if( argc <= 2 )
    {
        printf( "usage: %s ip_address port_number\n", basename( argv[0] ) );
        return 1;
    }
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi( argv[2] );

    int sock = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
    assert( sock >= 0 );
    int reuse = 1;
    setsockopt( sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &reuse, sizeof( reuse ) );

    struct sockaddr_in address;
    bzero( &address, sizeof( address ) );
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton( AF_INET, ip, &address.sin_addr );
    address.sin_port = htons( port );
    int ret = bind( sock, ( struct sockaddr* )&address, sizeof( address ) );
    assert( ret != -1 );

    ret = listen( sock, 5 );
    assert( ret != -1 );

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof( client );
    int connfd = accept( sock, ( struct sockaddr* )&client, &client_addrlength );
    if ( connfd < 0 )
    {
        printf( "errno is: %d\n", errno );
    }
    else
    {
        char remote[INET_ADDRSTRLEN ];
        printf( "connected with ip: %s and port: %d\n",
            inet_ntop( AF_INET, &client.sin_addr, remote, INET_ADDRSTRLEN ), ntohs( client.sin_port ) );
        close( connfd );
    }

    close( sock );
    return 0;
}

经过setsocketopt的设置之后，即使sock处于TIME_WAIT状态，与之绑定的socket地址也可以立即被重用。此外，我们也可以通过修改内核参数/proc/sys/net/ipv4/tcp_tw_recycle 来快速回收被关闭的socket，从而使得TCP连接根本就不进入TIME_WAIT状态，进而允许应用程序立即重用本地的socket地址。

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SO_RCVBUF和SO_SNDBUF选项

SO_RCVBUF和SO_SNDBUF选项分别表示TCP接收缓冲区和发送缓冲区的大小。不过，当我们用setsockopt来设置TCP的接收缓冲区和发送缓冲区的大小时，系统都会将其值加倍，并且不得小于其个最小值。TCP接收缓冲区的最小值是256字节，而发送缓冲区的最小值是2048字节（不过，不同的系统可能有不同的默认最小值）。此外，我们可以直接修改内核参数/proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem和/proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem来强制TCP接收缓冲区和发送缓冲区的大小没有最小值限制。

修改TCP发送缓冲区的客户端程序：

#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

#define BUFFER_SIZE 512

int main( int argc, char* argv[] )
{
    if( argc <= 3 )
    {
        printf( "usage: %s ip_address port_number send_bufer_size\n", basename( argv[0] ) );
        return 1;
    }
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi( argv[2] );

    struct sockaddr_in server_address;
    bzero( &server_address, sizeof( server_address ) );
    server_address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton( AF_INET, ip, &server_address.sin_addr );
    server_address.sin_port = htons( port );

    int sock = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
    assert( sock >= 0 );

    int sendbuf = atoi( argv[3] );
    int len = sizeof( sendbuf );
    setsockopt( sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &sendbuf, sizeof( sendbuf ) );
    getsockopt( sock, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &sendbuf, ( socklen_t* )&len );
    printf( "the tcp send buffer size after setting is %d\n", sendbuf );

    if ( connect( sock, ( struct sockaddr* )&server_address, sizeof( server_address ) ) != -1 )
    {
        char buffer[ BUFFER_SIZE ];
        memset( buffer, 'a', BUFFER_SIZE );
        send( sock, buffer, BUFFER_SIZE, 0 );
    }

    close( sock );
    return 0;
}

修改TCP接收缓冲区的服务器程序：

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define BUFFER_SIZE 1024

int main( int argc, char* argv[] )
{
    if( argc <= 3 )
    {
        printf( "usage: %s ip_address port_number receive_buffer_size\n", basename( argv[0] ) );
        return 1;
    }
    const char* ip = argv[1];
    int port = atoi( argv[2] );

    struct sockaddr_in address;
    bzero( &address, sizeof( address ) );
    address.sin_family = AF_INET;
    inet_pton( AF_INET, ip, &address.sin_addr );
    address.sin_port = htons( port );

    int sock = socket( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
    assert( sock >= 0 );
    int recvbuf = atoi( argv[3] );
    int len = sizeof( recvbuf );
    setsockopt( sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &recvbuf, sizeof( recvbuf ) );
    getsockopt( sock, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, &recvbuf, ( socklen_t* )&len );
    printf( "the receive buffer size after settting is %d\n", recvbuf );

    int ret = bind( sock, ( struct sockaddr* )&address, sizeof( address ) );
    assert( ret != -1 );

    ret = listen( sock, 5 );
    assert( ret != -1 );

    struct sockaddr_in client;
    socklen_t client_addrlength = sizeof( client );
    int connfd = accept( sock, ( struct sockaddr* )&client, &client_addrlength );
    if ( connfd < 0 )
    {
        printf( "errno is: %d\n", errno );
    }
    else
    {
        char buffer[ BUFFER_SIZE ];
        memset( buffer, '\0', BUFFER_SIZE );
        while( recv( connfd, buffer, BUFFER_SIZE-1, 0 ) > 0 ){}
        close( connfd );
    }

    close( sock );
    return 0;
}

运行结果：

[root@vm MOTO]# ./set_recv_buffer 10.8.56.201 12345 50
the tcp send buffer size after setting is 256

[root@vm MOTO]# ./set_send_buffer 10.8.56.201 12345 2000
the receive buffer size after settting is 4000

验证结果：

接收缓冲区set	发送缓冲区set	接收缓冲区（实际）	发送缓冲区（实际）
50	100	256	2048
129	1025	258	2050
200	2000	400	4000

如上说明：当我们用setsockopt来设置TCP的接收缓冲区和发送缓冲区的大小时，系统都会将其值加倍，并且不得小于其个最小值。

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SO_RCVLOWAT和SO_SNDLOWAT选项

SO_RCVLOWAT和SO_SNDLOWAT选项分别表示TCP接收缓冲区和发送缓冲区的低水位标记。它们一般被I/O复用系统调用，用来判断socket是否可读或可写。当TCP接收缓冲区中可读数据的总数大于其低水位标记时，I/O复用系统调用将通知应用程序可以从对应的socket上读取数据；当TCP发送缓冲区中的空闲空间（可以写入数据的空间）大于其低水位标记时，I/O复用系统调用将通知应用程序可以往对应的socket上写入数据。

       默认情况下，TCP接收缓冲区的低水位标记和TCP发送缓冲区的低水位标记均为1字节。

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SO_LINGER选项

SO_LINGER选项用于控制close系统调用在关闭TCP连接时的行为。默认情况下，当我们使用close系统调用来关闭一个socket时，close将立即返回，TCP模块负责把该socket对应的TCP发送缓冲区中残留的数据发送给对方。

       设置SO_LINGER选项的值时，我们需要给setsockopt（getsockopt）系统调用传递一个linger类型的结构体，其定义如下：

#include <sys/socket.h>
struct linger
{
    int  l_onoff; //开启（非0）还是关闭（0）该选项
	int  l_linger; // 滞留时间
};

根据linger结构体中两个成员变量的不同值，close 系统调用可能产生如下3种行为之一：

• l_onoff 等于0。此时SO_LINGER选项不起作用，close用默认行为关闭socket。
• l_onoff 不为0，l_linger等于0. 此时close 系统调用立即返回，TCP模块将丢弃被关闭的socket对应的TCP发送缓冲区中残留的数据，同时给对方一个复位报文段。因此，这种情况给服务器提供了异常终止一个连接的方法。
• l_onoff不为0，l_linger大于0 。此时close的行为取决于两个条件：（1）被关闭的socket对应的TCP发送缓冲区中是否还有残留的数据；（2）该socket是阻塞的还是非阻塞的。 对于阻塞的socket，close将等待一段长为l_linger的时间，直到TCP模块发送完所有残留数据并得到对方的确认。如果这段之间内TCP模块没有发送完残留数据并得到对方的确认，那么close系统调用将返回-1并设置errno为EWOULDBLOCK。 如果socket是非阻塞的，close将立即返回，此时我们需要根据其返回值和errno来判断残留数据是否已经发送完毕。