linux内核中tcp连接的断开处理

我们这次主要来分析相关的两个断开函数close和shotdown以及相关的套接口选项SO_LINGER。这里要注意SO_LINGER对shutdown无任何影响。它只对close起作用。

先来坎SO_LINGER所对应的数据结构：

struct linger {
///linger的开关
	int		l_onoff;	/* Linger active		*/
///所等待的时间。
	int		l_linger;	/* How long to linger for	*/
};

这里对这个套接口选项就不详细介绍了，在unix网络编程中有详细的介绍，我们这里只会分析内核的处理代码。

首先来看close函数，我们知道缺醒情况下,close是立即返回，但是如果套接口的发送缓冲区还有未发送的数据，系统将会试着把这些数据发送给对端。而这个缺醒情况我们是可以通过SO_LINGER来改变的。还有一个要注意就是close调用并不一定会引发tcp的断开连接。因为close只是将这个socket的引用计数减一(主要是针对多个进程)，而真正要直接引发断开，则需要用shutdown函数。

内核中socket的close的系统调用是sock_close，而在sock_close中，直接调用sock_release来实现功能，因此这里我们直接看sock_release的源码：

void sock_release(struct socket *sock)
{
	if (sock->ops) {
		struct module *owner = sock->ops->owner;

///调用inet_stream_ops的inet_release函数
		sock->ops->release(sock);
///将ops致空。
		sock->ops = NULL;
		module_put(owner);
	}

///这个域貌似是26.31新加的，具体做什么的还不知道。
	if (sock->fasync_list)
		printk(KERN_ERR "sock_release: fasync list not empty!\n");

///更新全局的socket数目
	percpu_sub(sockets_in_use, 1);
	if (!sock->file) {
///更新inode的引用计数
		iput(SOCK_INODE(sock));
		return;
	}
	sock->file = NULL;
}

然后来看inet_release的实现，这个函数主要用来通过SO_LINGER套接字来得到超时时间，然后调用tcp_close来关闭sock。

int inet_release(struct socket *sock)
{
	struct sock *sk = sock->sk;

	if (sk) {
		long timeout;

		/* Applications forget to leave groups before exiting */
		ip_mc_drop_socket(sk);

		timeout = 0;
///判断是否设置SO_LINGER并且不是处于正在shutdowning，则设置timeout为l_linger(也就是我们设置的值).
		if (sock_flag(sk, SOCK_LINGER) &&
		    !(current->flags & PF_EXITING))
			timeout = sk->sk_lingertime;
		sock->sk = NULL;
///调用tcp_close.
		sk->sk_prot->close(sk, timeout);
	}
	return 0;
}

tcp_close函数比较长我们这里分段来分析它,首先来看第一部分。这里要注意几点：

1 当close掉一个服务端的父socket的时候，内核会先处理半连接队列然后是已经accept了的队列，最后才会处理父sock。

2 处理接收缓冲区的数据的时候，直接遍历receive_queue(前面blog有介绍)，然后统计未发送的socket。我们知道close是不管接收buf的，也就是他会把接收buf释放掉，然后发送rst给对端的。

3 当so_linger有设置并且超时时间为0,则发送rst给对端，并且清空发送和接收buf。这个也不会引起最终的四分组终止序列。

4 当接收缓冲区有未读数据，则直接发送rst给对端。这个也不会引起最终的四分组终止序列。

5 当so_linger有设置，并且超时不为0,或者so_linger没有设置，此时都会引起最终的四分组终止序列来终止连接。(通过send_fin来发送fin,并引发四分组终止序列).而在send_fin中会发送掉发送缓冲区中的数据。

来看代码：

void tcp_close(struct sock *sk, long timeout)
{
	struct sk_buff *skb;
	int data_was_unread = 0;
	int state;

	lock_sock(sk);
	sk->sk_shutdown = SHUTDOWN_MASK;

///如果处于tcp_listen说明将要关闭的这个socket是一个服务端的主socket。
	if (sk->sk_state == TCP_LISTEN) {
///设置sock状态.
		tcp_set_state(sk, TCP_CLOSE);

///这个函数主要用来清理半连接队列(下面会简要分析这个函数)
		/* Special case. */
		inet_csk_listen_stop(sk);
///处理要关闭的sock
		goto adjudge_to_death;
	}

///遍历sk_receive_queue也就是输入buf队列。然后统计还没有读取的数据。
	while ((skb = __skb_dequeue(&sk->sk_receive_queue)) != NULL) {
		u32 len = TCP_SKB_CB(skb)->end_seq - TCP_SKB_CB(skb)->seq -
			  tcp_hdr(skb)->fin;
		data_was_unread += len;
///free这个skb
		__kfree_skb(skb);
	}

	sk_mem_reclaim(sk);


///第一个if主要是实现了rfc2525的2.17,也就是关闭的时候，如果接收buf中有未读数据，则发送一个rst给对端。(下面有摘抄相关内容)
	if (data_was_unread) {
		/* Unread data was tossed, zap the connection. */
		NET_INC_STATS_USER(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPABORTONCLOSE);
///设置状态
		tcp_set_state(sk, TCP_CLOSE);
///发送rst
		tcp_send_active_reset(sk, GFP_KERNEL);
	} 
///第二个if主要是判断so_linger套接字,并且超时时间为0。此时我们就直接丢掉所有的发送缓冲区中的数据
else if (sock_flag(sk, SOCK_LINGER) && !sk->sk_lingertime) {
		/* Check zero linger _after_ checking for unread data. */
///调用tcp_disconnect，这个函数主要用来断开和对端的连接，这个函数下面会介绍。
		sk->sk_prot->disconnect(sk, 0);
		NET_INC_STATS_USER(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPABORTONDATA);
	} 
///这个函数主要用来判断是否需要发送fin，也就是判断状态。下面我会详细介绍这个函数。
else if (tcp_close_state(sk)) {

///发送fin.
		tcp_send_fin(sk);
	}

///等待一段时间。这里的timeout，如果有设置so_linger的话就是l_linger.这里主要是等待发送缓冲区的buf发送(如果超时时间不为0).
	sk_stream_wait_close(sk, timeout);
........................

}

rfc2525的2.17的介绍：

When an application closes a connection in such a way that it can no longer read any received data, the TCP SHOULD, per section 4.2.2.13 of RFC 1122, send a RST if there is any unread received data, or if any new data is received. A TCP that fails to do so exhibits "Failure to RST on close with data pending".

ok，现在来看上面遇到的3个函数，一个是inet_csk_listen_stop,一个是tcp_close_state,一个是tcp_disconnect.我们一个个来看他们。

首先是inet_csk_listen_stop函数。我们知道这个函数主要用来清理所有的半连接队列。

void inet_csk_listen_stop(struct sock *sk)
{
	struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
	struct request_sock *acc_req;
	struct request_sock *req;

///首先删除keepalive定时器。
	inet_csk_delete_keepalive_timer(sk);

	/* make all the listen_opt local to us */
///得到accept 队列。
	acc_req = reqsk_queue_yank_acceptq(&icsk->icsk_accept_queue);

///然后销毁掉所有的半连接队列，也就是listen_sock队列
	reqsk_queue_destroy(&icsk->icsk_accept_queue);


///遍历accept队列断开与对端的连接。
	while ((req = acc_req) != NULL) {
...............................................

///调用tcp_disconnect来断开与对端的连接。这里注意是非阻塞的。
		sk->sk_prot->disconnect(child, O_NONBLOCK);

		sock_orphan(child);

		percpu_counter_inc(sk->sk_prot->orphan_count);

///销毁这个sock。
		inet_csk_destroy_sock(child);

........................................
	}
	WARN_ON(sk->sk_ack_backlog);
}

接下来来看tcp_disconnect函数。这个函数主要用来断开和对端的连接.它会释放读写队列，发送rst，清除定时器等等一系列操作。

int tcp_disconnect(struct sock *sk, int flags)
{
	struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
	struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
	struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
	int err = 0;
	int old_state = sk->sk_state;

	if (old_state != TCP_CLOSE)
		tcp_set_state(sk, TCP_CLOSE);
...................

///清除定时器，重传，delack等。
	tcp_clear_xmit_timers(sk);
///直接free掉接收buf。
	__skb_queue_purge(&sk->sk_receive_queue);
///free掉写buf。
	tcp_write_queue_purge(sk);
	__skb_queue_purge(&tp->out_of_order_queue);
#ifdef CONFIG_NET_DMA
	__skb_queue_purge(&sk->sk_async_wait_queue);
#endif

	inet->dport = 0;

	if (!(sk->sk_userlocks & SOCK_BINDADDR_LOCK))
		inet_reset_saddr(sk);
..........................................
///设置状态。
	tcp_set_ca_state(sk, TCP_CA_Open);
///清理掉重传的一些标记
	tcp_clear_retrans(tp);
	inet_csk_delack_init(sk);
	tcp_init_send_head(sk);
	memset(&tp->rx_opt, 0, sizeof(tp->rx_opt));
	__sk_dst_reset(sk);

	WARN_ON(inet->num && !icsk->icsk_bind_hash);

	sk->sk_error_report(sk);
	return err;
}

紧接着是tcp_close_state函数这个函数就是用来判断是否应该发送fin:

///这个数组表示了当close后，tcp的状态变化，可以看到注释很清楚，包含了3部分。这里也就是通过current也就是tcp的状态取得new state也就是close的状态，然后再和TCP_ACTION_FIN按位于，得到action
static const unsigned char new_state[16] = {
  /* current state:        new state:      action:	*/
  /* (Invalid)		*/ TCP_CLOSE,
  /* TCP_ESTABLISHED	*/ TCP_FIN_WAIT1 | TCP_ACTION_FIN,
  /* TCP_SYN_SENT	*/ TCP_CLOSE,
  /* TCP_SYN_RECV	*/ TCP_FIN_WAIT1 | TCP_ACTION_FIN,
  /* TCP_FIN_WAIT1	*/ TCP_FIN_WAIT1,
  /* TCP_FIN_WAIT2	*/ TCP_FIN_WAIT2,
  /* TCP_TIME_WAIT	*/ TCP_CLOSE,
  /* TCP_CLOSE		*/ TCP_CLOSE,
  /* TCP_CLOSE_WAIT	*/ TCP_LAST_ACK  | TCP_ACTION_FIN,
  /* TCP_LAST_ACK	*/ TCP_LAST_ACK,
  /* TCP_LISTEN		*/ TCP_CLOSE,
  /* TCP_CLOSING	*/ TCP_CLOSING,
};

static int tcp_close_state(struct sock *sk)
{
///取得new state
	int next = (int)new_state[sk->sk_state];
	int ns = next & TCP_STATE_MASK;

	tcp_set_state(sk, ns);

///得到action
	return next & TCP_ACTION_FIN;
}

接下来来看tcp_close的剩余部分的代码，剩下的部分就是处理一些状态以及通知这里只有一个要注意的就是TCP_LINGER2这个套接字，这个套接字能够设置等待fin的超时时间，也就是tcp_sock的域linger2.我们知道系统还有一个sysctl_tcp_fin_timeout，也就是提供了一个sys文件系统的接口来修改这个值，不过我们如果设置linger2为一个大于0的值的话，内核就会取linger2这个值。

adjudge_to_death:

///得到sock的状态。
	state = sk->sk_state;
	sock_hold(sk);
	sock_orphan(sk);

///唤醒阻塞在这个sock的队列(前面有详细介绍这个函数)
	release_sock(sk);

	local_bh_disable();
	bh_lock_sock(sk);
	WARN_ON(sock_owned_by_user(sk));

///全局的cpu变量引用计数减一。
	percpu_counter_inc(sk->sk_prot->orphan_count);

	/* Have we already been destroyed by a softirq or backlog? */
	if (state != TCP_CLOSE && sk->sk_state == TCP_CLOSE)
		goto out;

///如果状态为TCP_FIN_WAIT2,说明接收了ack，在等待对端的fin。
	if (sk->sk_state == TCP_FIN_WAIT2) {
		struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
///超时时间小于0,则说明马上超时，设置状态为tcp_close,然后发送rst给对端。
		if (tp->linger2 < 0) {
			tcp_set_state(sk, TCP_CLOSE);
			tcp_send_active_reset(sk, GFP_ATOMIC);
			NET_INC_STATS_BH(sock_net(sk),
					LINUX_MIB_TCPABORTONLINGER);
		} else {
///得到等待fin的超时时间。这里主要也就是在linger2和sysctl_tcp_fin_timeout中来取得。
			const int tmo = tcp_fin_time(sk);
///如果超时时间太长，则启动keepalive定时器发送探测报。
			if (tmo > TCP_TIMEWAIT_LEN) {
				inet_csk_reset_keepalive_timer(sk,
						tmo - TCP_TIMEWAIT_LEN);
			} else {
///否则进入time_wait状态。
				tcp_time_wait(sk, TCP_FIN_WAIT2, tmo);
				goto out;
			}
		}
	}
......................................

///如果sk的状态为tcp_close则destroy掉这个sk
	if (sk->sk_state == TCP_CLOSE)
		inet_csk_destroy_sock(sk);
	/* Otherwise, socket is reprieved until protocol close. */

out:
	bh_unlock_sock(sk);
	local_bh_enable();
	sock_put(sk);
}

然后来看send_fin的实现，这个函数用来发送一个fin，并且尽量发送完发送缓冲区中的数据：

void tcp_send_fin(struct sock *sk)
{
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
///取得写bufer的尾部。
	struct sk_buff *skb = tcp_write_queue_tail(sk);
	int mss_now;

	/* Optimization, tack on the FIN if we have a queue of
	 * unsent frames.  But be careful about outgoing SACKS
	 * and IP options.
	 */
	mss_now = tcp_current_mss(sk);
///如果发送队列不为空，此时我们只需要设置sk buffer的标记位(也就是tcp报文的控制位为fin)，可以看到我们是加到写buffer的尾部，这里是为了能尽量将写buffer中的数据全部传出)
	if (tcp_send_head(sk) != NULL) {
		TCP_SKB_CB(skb)->flags |= TCPCB_FLAG_FIN;
		TCP_SKB_CB(skb)->end_seq++;
		tp->write_seq++;
	} else {
..................................
///到这里标明发送缓冲区位空，因此我们需要新建一个sk buffer，然后设置标记位，并加入到写buffer。
		skb_reserve(skb, MAX_TCP_HEADER);
		/* FIN eats a sequence byte, write_seq advanced by tcp_queue_skb(). */
		tcp_init_nondata_skb(skb, tp->write_seq,
				     TCPCB_FLAG_ACK | TCPCB_FLAG_FIN);
		tcp_queue_skb(sk, skb);
	}
///发送写缓冲区中的数据。
	__tcp_push_pending_frames(sk, mss_now, TCP_NAGLE_OFF);
}
void __tcp_push_pending_frames(struct sock *sk, unsigned int cur_mss,
			       int nonagle)
{
	struct sk_buff *skb = tcp_send_head(sk);

	if (!skb)
		return;

	/* If we are closed, the bytes will have to remain here.
	 * In time closedown will finish, we empty the write queue and
	 * all will be happy.
	 */
	if (unlikely(sk->sk_state == TCP_CLOSE))
		return;
///发送数据，这里关闭了nagle。也就是立即将数据全部发送出去(我前面的blog有详细解释这个函数).
	if (tcp_write_xmit(sk, cur_mss, nonagle, 0, GFP_ATOMIC))
		tcp_check_probe_timer(sk);
}

接下来来看shutdown的实现。在2.26.31中，系统调用的实现有些变化。

这里我们要知道shutdown会将写缓冲区的数据发出，然后唤醒阻塞的进程，来读取读缓冲区中的数据。


这个系统调用所对应的内核函数就是os_shutdown_socket。

#define SHUT_RD 0
#define SHUT_WR 1
#define SHUT_RDWR 2

int os_shutdown_socket(int fd, int r, int w)
{
	int what, err;

	if (r && w)
		what = SHUT_RDWR;
	else if (r)
		what = SHUT_RD;
	else if (w)
		what = SHUT_WR;
	else
		return -EINVAL;

///调用socket的shutdown也就是kernel_sock_shutdown
	err = shutdown(fd, what);
	if (err < 0)
		return -errno;
	return 0;
}


int kernel_sock_shutdown(struct socket *sock, enum sock_shutdown_cmd how)
{
///他最终会调用inet_shutdown
	return sock->ops->shutdown(sock, how);
}

来看inet_shutdown的实现.这个函数的主要工作就是通过判断sock的状态不同来调用相关的函数：

int inet_shutdown(struct socket *sock, int how)
{
	struct sock *sk = sock->sk;
	int err = 0;

	/* This should really check to make sure
	 * the socket is a TCP socket. (WHY AC...)
	 */
///这里要注意每个how都是加1的，这说明在内核里读写是为1,2,3
	how++; /* maps 0->1 has the advantage of making bit 1 rcvs and
		       1->2 bit 2 snds.
		       2->3 */
///判断how的合法性。
	if ((how & ~SHUTDOWN_MASK) || !how)	/* MAXINT->0 */
		return -EINVAL;
///锁住sock
	lock_sock(sk);

///SS_CONNECTING说明这个sock的连接正在处理中。state域表示socket当前的内部状态
	if (sock->state == SS_CONNECTING) {
///如果状态为这几个状态，说明是处于半连接处理阶段，此时设置状态为SS_DISCONNECTING
		if ((1 << sk->sk_state) &
		    (TCPF_SYN_SENT | TCPF_SYN_RECV | TCPF_CLOSE))
			sock->state = SS_DISCONNECTING;
		else
///否则设置为连接完毕
			sock->state = SS_CONNECTED;
	}

///除过TCP_LISTEN以及TCP_SYN_SENT状态外的其他状态最终都会进入sk->sk_prot->shutdown也就是tcp_shutdown函数。

	switch (sk->sk_state) {
///如果状态为tco_close则设置错误号，然后进入default处理
	case TCP_CLOSE:
		err = -ENOTCONN;
		/* Hack to wake up other listeners, who can poll for
		   POLLHUP, even on eg. unconnected UDP sockets -- RR */
	default:
		sk->sk_shutdown |= how;
		if (sk->sk_prot->shutdown)
			sk->sk_prot->shutdown(sk, how);
		break;

	/* Remaining two branches are temporary solution for missing
	 * close() in multithreaded environment. It is _not_ a good idea,
	 * but we have no choice until close() is repaired at VFS level.
	 */
	case TCP_LISTEN:
///如果不为SHUT_RD则跳出switch，否则进入tcp_syn_sent的处理。
		if (!(how & RCV_SHUTDOWN))
			break;
		/* Fall through */
	case TCP_SYN_SENT:
///断开连接，然后设置state
		err = sk->sk_prot->disconnect(sk, O_NONBLOCK);
		sock->state = err ? SS_DISCONNECTING : SS_UNCONNECTED;
		break;
	}

	/* Wake up anyone sleeping in poll. */
///唤醒阻塞在这个socket上的进程，这里是为了将读缓冲区的数据尽量读完。
	sk->sk_state_change(sk);
	release_sock(sk);
	return err;
}

来看tcp_shutdown函数。

这里要注意，当只关闭读的话，并不会引起发送fin，也就是只会设置个标记，然后在读取数据的时候返回错误。而关闭写端，则就会引起发送fin。

void tcp_shutdown(struct sock *sk, int how)
{
	/*	We need to grab some memory, and put together a FIN,
	 *	and then put it into the queue to be sent.
	 *		Tim MacKenzie([e-mail]) 4 Dec '92.
	 */
///如果为SHUT_RD则直接返回。
	if (!(how & SEND_SHUTDOWN))
		return;

	/* If we've already sent a FIN, or it's a closed state, skip this. */
///这里英文注释很详细我就不多解释了。
	if ((1 << sk->sk_state) &
	    (TCPF_ESTABLISHED | TCPF_SYN_SENT |
	     TCPF_SYN_RECV | TCPF_CLOSE_WAIT)) {
		/* Clear out any half completed packets.  FIN if needed. */
///和tcp_close那边处理一样
		if (tcp_close_state(sk))
			tcp_send_fin(sk);
	}
}

最后来看sock_def_readable它就是sk->sk_state_change。也就是用来唤醒阻塞的进程。

static void sock_def_readable(struct sock *sk, int len)
{
	read_lock(&sk->sk_callback_lock);
///判断是否有进程在等待这个sk
	if (sk_has_sleeper(sk))
///有的话，唤醒进程，这里可以看到递交给上层的是POLLIN,也就是读事件。
	wake_up_interruptible_sync_poll(sk->sk_sleep, POLLIN |
						POLLRDNORM | POLLRDBAND);

///这里异步唤醒，可以看到这里也是POLL_IN.
	sk_wake_async(sk, SOCK_WAKE_WAITD, POLL_IN);
	read_unlock(&sk->sk_callback_lock);
}

可以看到shutdown函数只会处理SEND_SHUTDOWN。并且当调用shutdown之后，读缓冲区，还可以继续读取。