后台核心编程（八）：网络编程-套接字的断开连接

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。

1.1 单方面断开连接带来的问题

Linux 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，通信⼀⽅单⽅⾯的断开套接字连接，显得不太优雅。如图所⽰：

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。

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：

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 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。

1.3 优雅断开的 shutdown 函数

shutdown 用来关闭其中一个流：

#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，其值如下所示：

• SHUT_RD : 断开输入流
• 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，则断开输入流，套接字无法接收数据。即使输入缓冲收到数据也回抹去，而且无法调用相关函数。如果向 shutdown 的第二个参数传递SHUT_WR，则中断输出流，也就无法传输数据。若如果输出缓冲中还有未传输的数据，则将传递给目标主机。最后，若传递关键字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。

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。此时程序的还嫌难度并不小，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，这样也会向对方发送 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。下面实现收发文件的服务器端/客户端。

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：

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 = htonl(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, BUF_SIZE);
            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27行：打开文件以向客户端传输服务端源文件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39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<port>\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24行：创建新文件以保存服务端传输的文件数据\
• 第34、35行：接收数据并保存到第24行创建的文件，直到接收EOF为止
• 第38行：接收完服务端传输的数据后，向服务端传输数据，若服务端未关闭流入流，则可接收此消息

编译file_server.c并运行

# gcc file_server.c -o file_server
# ./file_server 8500
Message from client:Thank you

编译file_client.c并运行

# gcc file_client.c -o file_client
# ./file_client 127.0.0.1 8500
Received file data