本章讨论如何优雅的断开套接字的连接，之前用的方法不够优雅是因为，我们是调用 close 函数或 closesocket 函数单方面断开连接的。

7.1 基于 TCP 的半关闭

TCP 的断开连接过程比建立连接更重要，因为连接过程中一般不会出现大问题，但是断开过程可能发生预想不到的情况。因此应该准确掌控。所以要掌握半关闭（Half-close），才能明确断开过程。

7.1.1 单方面断开连接带来的问题

Linux 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，通信一方单方面的断开套接字连接，显得不太优雅。如图所示：

C07 优雅的断开套接字的连接 - 图1
图中描述的是 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 函数断开了最后的连接，之后主机 A 无法再接受主机 B 传输的数据。实际上，是完全无法调用与接受数据相关的函数。最终，由主机 B 传输的、主机 A 必须要接受的数据也销毁了。

为了解决这类问题，「只关闭一部分数据交换中使用的流」的方法应运而生。断开一部分连接是指，可以传输数据但是无法接收，或可以接受数据但无法传输。顾名思义就是只关闭流的一半。

7.1.2 套接字和流（Stream）

两台主机通过套接字建立连接后进入可交换数据的状态，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，数据也止呕能向一个方向流动。因此，为了进行双向通信，需要如图所示的两个流：

C07 优雅的断开套接字的连接 - 图2
一旦两台主机之间建立了套接字连接，每个主机就会拥有单独的输入流和输出流。当然，其中一个主机的输入流与另一个主机的输出流相连，而输出流则与另一个主机的输入流相连。另外，本章讨论的「优雅的断开连接方式」只断开其中 1 个流，而非同时断开两个流。Linux 的 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。

7.1.3 针对优雅断开的 shutdown 函数

shutdown 用来关闭其中一个流：

  1. #include <sys/socket.h>
  2. int shutdown(int sock, int howto);
  3. /*
  4.     成功时返回 0 ，失败时返回 -1
  5.     sock: 需要断开套接字文件描述符
  6.     howto: 传递断开方式信息
  7. */

调用上述函数时，第二个参数决定断开连接的方式，其值如下所示：

  • SHUT_RD : 断开输入流，socket无法接收数据。即使输入缓冲收到数据也回抹去，而且无法调用相关函数；
  • SHUT_WR : 断开输出流，socket无法传输数据。如果输出缓冲中还有未传输的数据，则将传递给目标主机；
  • SHUT_RDWR : 同时断开 I/O 流，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；

    7.1.4 为何要半关闭

    考虑以下情况：

    一旦客户端连接到服务器，服务器将约定的文件传输给客户端，客户端收到后发送字符串「Thank you」给服务器端。

此处「Thank you」的传递是多余的，这只是用来模拟客户端断开连接前还有数据要传输的情况。此时程序的实现难度并不小，因为传输文件的服务器端只需连续传输文件数据即可，而客户端无法知道需要接收数据到何时。客户端也没办法无休止的调用输入函数，因为这有可能导致程序阻塞。

是否可以让服务器和客户端约定一个代表文件尾的字符？

这种方式也有问题，因为这意味这文件中不能有与约定字符相同的内容。为了解决该问题，服务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受 EOF ，这样可以避免与文件内容冲突。那么问题来了，服务端如何传递 EOF ？

断开输出流时向主机传输 EOF。

当然，调用 close 函数的同时关闭 I/O 流，关闭的同时也会向对方发送 EOF 。但此时无法再接受对方传输的数据。换言之，若调用 close 函数关闭流，就无法接受客户端最后发送的字符串「Thank you」。这时需要调用 shutdown 函数，只关闭服务器的输出流。这样既可以发送 EOF ，同时又保留了输入流来接收字符串「Thank you」。下面实现收发文件的服务器端/客户端。

7.1.5 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以整理如图：

C07 优雅的断开套接字的连接 - 图3

下面的代码为编程简便，省略了大量错误处理代码。

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <string.h>
  4. #include <unistd.h>
  5. #include <arpa/inet.h>
  6. #include <sys/socket.h>
  8. #define BUF_SIZE 30
  9. void error_handling(char *message);
  11. int main(int argc, char *argv[]){
  12.     int sd;
  13.     FILE *fp;
  15.     char buf[BUF_SIZE];
  16.     int read_cnt;
  17.     struct sockaddr_in serv_adr;
  19.     if (argc != 3){
  20.         printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);
  21.         exit(1);
  22.     }
  24.     fp = fopen("receive.cpp", "wb");
  25.     sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  27.     memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
  28.     serv_adr.sin_family = AF_INET;
  29.     serv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
  30.     serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));
  32.     connect(sd, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
  34.     while ((read_cnt = read(sd, buf, BUF_SIZE)) != 0)
  35.         fwrite((void *)buf, 1, read_cnt, fp);
  37.     puts("Received file data");
  38.     write(sd, "Thank you", 10);
  39.     fclose(fp);
  40.     close(sd);
  41.     return 0;
  42. }
  44. void error_handling(char *message){
  45.     fputs(message, stderr);
  46.     fputc('\n', stderr);
  47.     exit(1);
  48. }
  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  3. #include <string.h>
  4. #include <unistd.h>
  5. #include <arpa/inet.h>
  6. #include <sys/socket.h>
  8. #define BUF_SIZE 30
  9. void error_handling(char *message);
  11. int main(int argc, char *argv[]){
  12.     int serv_sd, clnt_sd;
  13.     FILE *fp;
  14.     char buf[BUF_SIZE];
  15.     int read_cnt;
  17.     struct sockaddr_in serv_adr, clnt_adr;
  18.     socklen_t clnt_adr_sz;
  20.     if (argc != 2){
  21.         printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);
  22.         exit(1);
  23.     }
  24.     fp = fopen("file_server.c", "rb");
  25.     serv_sd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  27.     memset(&serv_adr, 0, sizeof(serv_adr));
  28.     serv_adr.sin_family = AF_INET;
  29.     serv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
  30.     serv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));
  32.     bind(serv_sd, (struct sockaddr *)&serv_adr, sizeof(serv_adr));
  33.     listen(serv_sd, 5);
  35.     clnt_adr_sz = sizeof(clnt_adr);
  36.     clnt_sd = accept(serv_sd, (struct sockaddr *)&clnt_adr, &clnt_adr_sz);
  38.     while (1){
  39.         // 从文件流中读取数据到缓存
  40.         read_cnt = fread((void *)buf, 1, BUF_SIZE, fp);
  41.         // 将缓存写入socket
  42.         if (read_cnt < BUF_SIZE){
  43.             write(clnt_sd, buf, read_cnt);
  44.             break;
  45.         }
  46.         write(clnt_sd, buf, BUF_SIZE);
  47.     }
  49.     shutdown(clnt_sd, SHUT_WR); // 仅关闭输出流
  50.     read(clnt_sd, buf, BUF_SIZE); // 读取收到的字符串
  51.     printf("Message from client: %s \n", buf);
  53.     fclose(fp);
  54.     close(clnt_sd);
  55.     close(serv_sd);
  56.     return 0;
  57. }
  59. void error_handling(char *message){
  60.     fputs(message, stderr);
  61.     fputc('\n', stderr);
  62.     exit(1);
  63. }

编译运行：

  1. gcc file_server.c -o fserver
  2. gcc file_client.c -o fclient
  4. ./fserver 9190
  5. ./fclient 127.0.0.1 9190

结果：
image.png

7.3 习题

  1. 解释 TCP 中「流」的概念。UDP 中能否形成流？请说明原因。
    答：两台主机中通过套接字建立连接后进入可交换数据的状态，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做一种流。UDP 没有建立连接的过程，所以不能形成流。


  1. Linux 中的 close 函数或 Windows 中的 closesocket 函数属于单方面断开连接的方法，有可能带来一些问题。什么是单方面断开连接？什么情形下会出现问题？
    答：单方面断开连接就是两台主机正在通信，其中一台主机关闭了所有连接，那么一台主机向另一台主机传输的数据可能会没有接收到而损毁。传输文件的服务器只需连续传输文件数据即可，而客户端不知道需要接收数据到何时。客户端也没有办法无休止的调用输入函数。现在需要一个 EOF 代表数据已经传输完毕，那么这时就需要半关闭，服务端把自己的输出流关了，这时客户端就知数据已经传输完毕，因为服务端的输入流还没关，客户端可以给服务器汇报，接收完毕。

  2. 什么是半关闭？针对输出流执行半关闭的主机处于何种状态？半关闭会导致对方主机接收什么消息？
    答：半关闭就是把输入流或者输出流关了。针对输出流执行半关闭的主机处于可以接收数据而不能发送数据。关闭输出流会导致对方主机接收一个 EOF 文件结束符。对方就知道你的数据已经传输完毕。