7.渐入佳境 -- 优雅的断开套接字连接

前言

本章将讨论如何优雅地断开相互连接的套接字。之前用的方法不够优雅是因为，我们是调用close或closesocket函数单方面断开连接的。

一、基于TCP的半关闭

TCP中的断开连接过程比建立连接过程更重要，因为连接过程中一般不会出现大的变数，但断开过程有可能发生预想不到的情况，因此应准确掌控。只有掌握了下面要讲解的半关闭(Half-close)，才能明确断开过程。

1.单方面断开带来的问题

Linux的close函数和Windows的closesocket函数意味着完全断开连接。完全断开不仅指无法传输数据，而且也不能接收数据。因此，在某些情况下，通信一方调用close或closesocket函数断开连接就显得不太优雅：

图描述的是2台主机正在进行双向通信。主机A发送完最后的数据后，调用close函数断开了连接，之后主机A无法再接收主机B传输的数据。实际上，是完全无法调用与接收数据相关的函数。最终，由主机B传输的、主机A必须接收的数据也销毁了。
为了解决这类问题，“只关闭一部分数据交换中使用的流”（Half-close）的方法应运而生。断开一部分连接是指，可以传输数据但无法接收，或可以接收数据但无法传输。顾名思义就是只关闭流的一半。

2.套接字和流

两台主机通过套接字建立连接后进人可交换数据的状态，又称“流形成的状态”。也就是把建立套接字后可交换数据的状态看作一种流。
此处的流可以比作水流。水朝着一个方向流动，同样，在套接字的流中，数据也只能向一个方向移动。因此，为了进行双向通信，需要2个流。

一旦两台主机间建立了套接字连接，每个主机就会拥有单独的输人流和输出流。当然，其中一个主机的输人流与另一主机的输出流相连，而输出流则与另一主机的输人流相连。另外，本章节讨论的“优雅地断开连接方式”只断开其中1个流，而非同时断开两个流。Linux的close和Windows的closesocket函数将同时断开这两个流，因此与“优雅”二字还有一段距离。

3.针对优雅断开的 shtdown 函数

接下来介绍用于半关闭的函数。下面这个shutdown函数就用来关闭其中1个流。

#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sock, int howto);
// 成功时返回0，失败时返回-1。
// sock -- 需要断开的套接字文件描述符。
// howto -- 传递断开方式信息。

调用上述函数时，第二个参数决定断开连接的方式，其可能值如下所示。
■ SHUT_RD：断开输人流。
■ SHUT_WR：断开输出流。
■ SHUT_RDWR:同时断开I/O流。
若向shutdown的第二个参数传递SHUT_RD，则断开输人流，套接字无法接收数据。即使输人缓冲收到数据也会抹去，而且无法调用输人相关函数。如果向shutdown函数的第二个参数传递SHUT_WR，则中断输出流，也就无法传输数据。但如果输出缓冲还留有未传输的数据，则将传递至目标主机。最后，若传人SHUT_RDWR，则同时中断I/O流。这相当于分2次调用shutdown，其中一次以SHUT_RD为参数，另一次以SHUT_WR为参数。

4.为何需要半关闭

相信各位已对“关闭套接字的一半连接”有了充分的认识，但还有一些疑惑。
– “究竟为什么需要半关闭？是否只要留出足够长的连接时间，保证完成数据交换即可？只要不急于断开连接，好像也没必要使用半关闭。” –
这句话也不完全是错的。如果保持足够的时间间隔，完成数据交换后再断开连接，这时就没必要使用半关闭。但要考虑如下情况：
“一旦客户端连接到服务器端，服务器端将约定的文件传给客户端，客户端收到后发送字符串“Thankyou’给服务器端。”
此处字符串“Thankyou”的传递实际是多余的，这只是用来模拟客户端断开连接前还有数据需要传递的情况。此时程序实现的难度并不小，因为传输文件的服务器端只需连续传输文件数据即可，而客户端则无法知道需要接收数据到何时。客户端也没办法无休止地调用输人函数，因为这有可能导致程序阻塞（调用的函数未返回）
– “是否可以让服务器端和客户端约定一个代表文件尾的字符？” –
这种方式也有问题，因为这意味着文件中不能有与约定字符相同的内容。为解决该问题，服务器端应最后向客户端传递EOF表示文件传输结束。客户端通过函数返回值接收EOF，这样可以避免与文件内容冲突。剩下最后一个问题：服务器如何传递EOF?
– “断开输出流时向对方主机传输EOF。” –
当然，调用close函数的同时关闭I/O流，这样也会向对方发送EOF。但此时无法再接收对方传输的数据。也就是说，若调用close函数关闭流，就无法接收客户端最后发送的字符串“Thankyou”。
这时需要调用shutdown函数，只关闭服务器的输出流（半关闭)。这样既可以发送EOF，同时又保留了输人流，可以接收对方数据。下面结合已学内容实现收发文件的服务器端/客户端。

二、基于半关闭的文件传输程序

上述文件传输服务器端和客户端的数据流可整理如下图，稍后将根据这个图编写示例。希望大家通过此例理解传递EOF的必要性和半关闭的重要性。
首先介绍服务器端。这次示例与之前示例不同，省略了大量错误处理代码，希望大家注意。这种处理只是为了便于分析代码，实际编写中不应省略哦。

// file_server.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[])
{
    int serv_sd, clnt_sd;
    FILE* fp;
    char buf[BUF_SIZE];
    int read_cnt;
    struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
    socklen_t clnt_adr_sz;

    if(argc != 2){
        printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    fp = fopen("file_server.c", "rb");
    serv_sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = htons(INADDR_ANY);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));

    bind(serv_sd, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
    listen(serv_sd, 5);

    clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
    clnt_sd = accept(serv_sd, (struct sockaddr*)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);

    while(1)
    {
        read_cnt = fread((void*)buf, 1, BUF_SIZE, fp);
        if(read_cnt < BUF_SIZE)
        {
            write(clnt_sd, buf, read_cnt);
            break;
        }
        write(clnt_sd, buf, BUF_SIZE);
    }

    shutdown(clnt_sd, SHUT_WR);
    read(clnt_sd, buf, BUF_SIZE);
    printf("Message from client: %s \n", buf);

    fclose(fp);
    close(clnt_sd);
    close(serv_sd);
    return 0;
}

void error_handling(char* message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}

■ 第26行：打开文件以向客户端传输服务器端源文件file_server.c。
■ 第40~49行：为向客户端传输文件数据而编写的循环语句。此客户端是在第38行的accept函数调用中连接的。
■ 第51行：发送文件后针对输出流进行半关闭。这样就向客户端传输了EOF，而客户端也知道文件传输已完成。
■ 第52行：只关闭了输出流，依然可以通过输入流接收数据。

// file_client.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>
#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char* message);

int main(int argc, char* argv[])
{
    int sd;
    FILE *fp;

    char buf[BUF_SIZE];
    int read_cnt;
    struct sockaddr_in serv_adr;
    if (argc != 3)
    {
        printf("Usage : %s <IP>\n", argv[0]);
        exit(1);
    }

    fp = fopen("receive.dat", "wb");
    sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
    serv_adr.sin_family = AF_INET;
    serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));

    connect(sd, (struct sockaddr*)&serv_adr, sizeof(serv_adr));

    while((read_cnt = read(sd, buf, BUF_SIZE)) != 0)
        fwrite((void*)buf, 1, read_cnt, fp);

    puts("Received file data");
    write(sd, "Thank you", 10);
    fclose(fp);
    close(sd);
    return 0;
}

void error_handling(char* message)
{
	fputs(message, stderr);
	fputc('\n', stderr);
	exit(1);
}	

■ 第26行：创建新文件以保存服务器端传输的文件数据。
■ 第36、37行：接收数据并保存到第18行创建的文件，直到接收EOF为止。
■ 第40行：向服务器端发送表示感谢的消息。若服务器端未关闭输入流，则可接收此消息。
下面是上述示例的运行结果。运行后查看客户端的receive.dat文件，可以验证数据正常接收。特别需要注意的是，还可以确认服务器端已正常接收客户端最后传输的消息“Thankyou”。

server：

client：

---

总结

`大家是不是对TCP有了更深入的理解呢？有不明白的可以再去网上搜搜看！