第 61 章 Sockets: 高级主题 (Sockets: Advanced Topics)

核心结论

流式 socket 上的 partial read/write：read/write 都可能传输少于请求字节数（信号中断、非阻塞模式、异步错误）；readn/writen 包装循环自动恢复直到读完/写完。
shutdown(sockfd, how) vs close()：close 关闭双向并依赖 fd 引用计数；shutdown 直接关闭单向（SHUT_RD/SHUT_WR/SHUT_RDWR），无视其他 dup/fork 后的 fd 副本——这是「半关闭」（half-close）。
recv/send 是 read/write 的 socket 增强版：额外 flags 参数支持 MSG_DONTWAIT、MSG_PEEK、MSG_WAITALL、MSG_OOB、MSG_NOSIGNAL、MSG_MORE。
sendfile 实现 zero-copy：内核直接把 regular file 拷到 socket，避免用户态往返；HTTP 服务器常配合 TCP_CORK 合并 header + body 到同一 TCP segment。
TCP 状态机与 TIME_WAIT：三次握手建连（SYN → SYN/ACK → ACK），四次挥手拆连（FIN/ACK/FIN/ACK）；主动关闭方经历 TIME_WAIT（2×MSL = 60s on Linux）以 (1) 处理最后 ACK 丢失 (2) 让旧 segment 在网络中过期。
socket 选项 SO_REUSEADDR 解决重启时报 EADDRINUSE：默认内核不让绑定还在 TIME_WAIT 的端口；SO_REUSEADDR 允许重用，避免绕开 TIME_WAIT 可靠性保证。

本章主旨

本章是 socket 编程「深水区」——前面第 56-60 章是基本功，本章解释常见误解和调试技能。读者需建立：(1) close ≠ shutdown，dup/fork 后仍维持的双向通信可被 shutdown 关闭；(2) TCP 状态机解释为什么「主动关闭方经历 TIME_WAIT」、「重启 server 报 EADDRINUSE 用什么解决」；(3) sendfile + TCP_CORK 是高性能 web 服务器常用武器；(4) SO_REUSEADDR 不破坏 TIME_WAIT 的可靠性；(5) netstat / tcpdump 是必备调试工具。

一、核心概念

本章围绕 6 个核心概念：partial I/O、shutdown、半关闭、socket 专用 I/O、TCP 状态机与 TIME_WAIT、SO_REUSEADDR。

概念定义 + 重要性实现提示

概念	定义 + 重要性	实现提示
Partial reads / writes	流式 socket 的 `read`/`write` 可能传输少于请求的字节数（管道样，部分读 / 写）；`readn`/`writen` 用循环保证读够 N 字节，途中处理 `EINTR`。	§61.1；TLPI Listing 61-1；`readn` 返回实际读取的字节数（与 `read` 一致），若读到 EOF 返回当前累计；注意 `MSG_WAITALL` 等价但不重启。
`shutdown` 与 half-close	`shutdown` 关闭 socket 双向通道中「单独方向」或同时；不受 fd 引用计数影响；`SHUT_WR` 让对端读 EOF，本地继续可读对端后续数据——ssh/rsh 用它。	§61.2；`SHUT_RDWR` = `SHUT_RD` + `SHUT_WR`；TCP 上 `SHUT_RD` 行为跨实现差异大，应避免。
`recv`/`send` flags	较 `read`/`write` 多 `flags` 参数：`MSG_DONTWAIT`（per-call 非阻塞）、`MSG_PEEK`（查看不移走）、`MSG_WAITALL`（阻塞够 length）、`MSG_OOB`（带外数据）、`MSG_NOSIGNAL`（不发 SIGPIPE）、`MSG_MORE`（cork 数据到 segment）。	§61.3；SUSv3 仅 `MSG_OOB`；其他为扩展（Linux 都有）。
`sendfile` zero-copy	`sendfile(out_fd, in_fd, offset, count)` 把 mmap-able regular file 直接由内核送 socket；省去用户缓冲区往返；与 `TCP_CORK` 配合合并 header + body。	§61.4；Linux 2.4 起，`out_fd` 只能是 socket；2.6 后文件到文件不再支持。`splice`/`tee`/`vmsplice` 在 2.6.17 后提供更灵活的 zero-copy 选项。
TCP 状态机 / TIME_WAIT	三次握手（SYN → SYN/ACK → ACK）→ ESTABLISHED；四次挥手（FIN/ACK/FIN/ACK）；主动关闭方经历 TIME_WAIT（2×MSL），目的 (1) 重发最后 ACK if lost；(2) 让旧 segment 过期。Linux MSL=30s，TIME_WAIT=60s。	§61.6；其余状态：LISTEN、SYN_SENT、SYN_RECV、ESTABLISHED、FIN_WAIT1/2、CLOSING、CLOSE_WAIT、LAST_ACK、CLOSED；netstat `-t` 输出 state。
SO_REUSEADDR / socket 选项	`setsockopt(sockfd, level, optname, &val, optlen)` 控制 socket 行为；`SO_REUSEADDR` 让绑定允许重用 TIME_WAIT 状态的本地端口；其他常用：`SO_KEEPALIVE`、`SO_RCVBUF`/`SO_SNDBUF`、`SO_LINGER`、`SO_BROADCAST`、`SO_OOBINLINE` 等。	§61.9–61.10；`SO_REUSEADDR` 应在 listen 之前调用；TLPI Listing 61-4 给出典型用法。

Partial reads / writes

流式 socket 的 read/write 可能传输少于请求的字节数（管道样，部分读 / 写）；readn/writen 用循环保证读够 N 字节，途中处理 EINTR。

§61.1；TLPI Listing 61-1；readn 返回实际读取的字节数（与 read 一致），若读到 EOF 返回当前累计；注意 MSG_WAITALL 等价但不重启。

shutdown 与 half-close

shutdown 关闭 socket 双向通道中「单独方向」或同时；不受 fd 引用计数影响；SHUT_WR 让对端读 EOF，本地继续可读对端后续数据——ssh/rsh 用它。

§61.2；SHUT_RDWR = SHUT_RD + SHUT_WR；TCP 上 SHUT_RD 行为跨实现差异大，应避免。

recv/send flags

较 read/write 多 flags 参数：MSG_DONTWAIT（per-call 非阻塞）、MSG_PEEK（查看不移走）、MSG_WAITALL（阻塞够 length）、MSG_OOB（带外数据）、MSG_NOSIGNAL（不发 SIGPIPE）、MSG_MORE（cork 数据到 segment）。

§61.3；SUSv3 仅 MSG_OOB；其他为扩展（Linux 都有）。

sendfile zero-copy

sendfile(out_fd, in_fd, offset, count) 把 mmap-able regular file 直接由内核送 socket；省去用户缓冲区往返；与 TCP_CORK 配合合并 header + body。

§61.4；Linux 2.4 起，out_fd 只能是 socket；2.6 后文件到文件不再支持。splice/tee/vmsplice 在 2.6.17 后提供更灵活的 zero-copy 选项。

TCP 状态机 / TIME_WAIT

三次握手（SYN → SYN/ACK → ACK）→ ESTABLISHED；四次挥手（FIN/ACK/FIN/ACK）；主动关闭方经历 TIME_WAIT（2×MSL），目的 (1) 重发最后 ACK if lost；(2) 让旧 segment 过期。Linux MSL=30s，TIME_WAIT=60s。

§61.6；其余状态：LISTEN、SYN_SENT、SYN_RECV、ESTABLISHED、FIN_WAIT1/2、CLOSING、CLOSE_WAIT、LAST_ACK、CLOSED；netstat -t 输出 state。

SO_REUSEADDR / socket 选项

setsockopt(sockfd, level, optname, &val, optlen) 控制 socket 行为；SO_REUSEADDR 让绑定允许重用 TIME_WAIT 状态的本地端口；其他常用：SO_KEEPALIVE、SO_RCVBUF/SO_SNDBUF、SO_LINGER、SO_BROADCAST、SO_OOBINLINE 等。

§61.9–61.10；SO_REUSEADDR 应在 listen 之前调用；TLPI Listing 61-4 给出典型用法。

二、详细笔记

61.1 流式 socket 的 partial read/write 与 readn/writen

What：流式 socket 是无 record-boundary 的字节流。read 可能返回少于请求的字节数（仅返回内核缓冲区已有的数据）；write 可能写入少于请求的字节数（信号中断、非阻塞模式、异步错误：TCP peer 突然 RST 等）。

Why：应用协议如 HTTP、is_seqnum 都基于「按行读取」或「读够 N 字节」语义；若不显式循环，要么丢数据要么死锁。

How：TLPI Listing 61-1 的 readn/writen 循环：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 61 章 Listing 61-1
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include "rdwrn.h"
ssize_t readn(int fd, void *buffer, size_t n) {
    ssize_t numRead; size_t totRead; char *buf;
    buf = buffer;
    for (totRead = 0; totRead < n; ) {
        numRead = read(fd, buf, n - totRead);
        if (numRead == 0) return totRead;       /* EOF */
        if (numRead == -1) {
            if (errno == EINTR) continue;        /* restart */
            else return -1;
        }
        totRead += numRead;
        buf += numRead;
    }
    return totRead;
}

ssize_t writen(int fd, const void *buffer, size_t n) {
    ssize_t numWritten; size_t totWritten; const char *buf;
    buf = buffer;
    for (totWritten = 0; totWritten < n; ) {
        numWritten = write(fd, buf, n - totWritten);
        if (numWritten <= 0) {
            if (numWritten == -1 && errno == EINTR) continue;
            else return -1;
        }
        totWritten += numWritten;
        buf += numWritten;
    }
    return totWritten;
}

When：(1) 任何「发送长度明确的二进制 blob」、「按固定长度解析」协议——使用 writen/readn；(2) 类似 MSG_WAITALL 能在单次系统调用阻塞直到收到 N 字节，但被信号打断它不自动重启。

Example：writen(cfd, &len, sizeof(len)); writen(cfd, payload, len); readn(cfd, &len, sizeof(len)); readn(cfd, payload, len); —— 长度前缀 + payload 是最常见的「定长协议」模式。

61.2 `shutdown` 系统调用与 half-close

What：shutdown(sockfd, how) 关闭 socket 双向通道中一个方向或两个方向；不受 dup 或 fork 出来的其它 fd 副本的影响——它作用在 open file description 上。

Why：很多协议需要「我已写完，但现在还想读你的回应」——典型如 HTTP 请求后等响应、rsh 远程命令、SSH 双向独立通信。close 必须等所有 fd 副本关闭才真正关连接，无法实现半关闭。

How：

how	语义
SHUT_RD	关闭读半；之后 read 立即返回 0（EOF）；TCP 上对端若继续写，本地仍能读到部分实现是有的（Linux 一致；但 BSD 不同），应用不建议跨平台用 SHUT_RD
SHUT_WR	关闭写半；对端读到 EOF；本地仍可读对端后续数据；触发 active close 序列（FIN）
SHUT_RDWR	关闭两个半（sequenced）

how

语义

SHUT_RD

关闭读半；之后 read 立即返回 0（EOF）；TCP 上对端若继续写，本地仍能读到部分实现是有的（Linux 一致；但 BSD 不同），应用不建议跨平台用 SHUT_RD

SHUT_WR

关闭写半；对端读到 EOF；本地仍可读对端后续数据；触发 active close 序列（FIN）

SHUT_RDWR

关闭两个半（sequenced）

#include <sys/socket.h>
int shutdown(int sockfd, int how);

shutdown 不关闭 fd 本身；fd 仍需 close()。

When：(1) client 发送完请求后等响应 —— shutdown(cfd, SHUT_WR) 让 server 看到 EOF 关连接，client 继续读响应；(2) daemon 重启 / 子进程退出；想发 EOF 但保留 fd 复用 —— shutdown(sfd, SHUT_WR)。

Example：TLPI Listing 61-2 is_echo_cl 中的 echo client：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 61 章 Listing 61-2 (片段)
switch (fork()) {
case -1: errExit("fork");
case 0:  /* Child: read echo server's response */
    for (;;) {
        numRead = read(sfd, buf, BUF_SIZE);
        if (numRead <= 0) break;
        printf("%.*s", (int) numRead, buf);
    }
    exit(EXIT_SUCCESS);
default: /* Parent: copy stdin to socket */
    for (;;) {
        numRead = read(STDIN_FILENO, buf, BUF_SIZE);
        if (numRead <= 0) break;
        if (write(sfd, buf, numRead) != numRead)
            fatal("write() failed");
    }
    /* Close writing channel, so server sees EOF */
    if (shutdown(sfd, SHUT_WR) == -1) errExit("shutdown");
    exit(EXIT_SUCCESS);
}

61.3 socket 专用 I/O：`recv`/`send` 与 flags

What：recv(sockfd, buf, length, flags) 和 send(sockfd, buf, length, flags) 在 read/write 基础上加 flags 标志位实现 socket 特殊行为。

Why：很多 socket 行为不能仅靠 read/write 表达（如不要 SIGPIPE、non-stream peek、cork data 等）。

How：

Flag	方向	语义
MSG_DONTWAIT	recv/send	临时非阻塞
MSG_PEEK	recv	从 socket buffer peek 但不移走
MSG_WAITALL	recv	阻塞直到 length 字节就绪（被信号/EOF/OOB/error 打断）
MSG_OOB	recv/send	带外数据（SUSv3）
MSG_NOSIGNAL	send	对端关时不发 SIGPIPE（仅 Linux）
MSG_MORE	send	cork 数据同 TCP segment 等；UDP 时聚合成一个 datagram

Flag

方向

语义

MSG_DONTWAIT

recv/send

临时非阻塞

MSG_PEEK

recv

从 socket buffer peek 但不移走

MSG_WAITALL

recv

阻塞直到 length 字节就绪（被信号/EOF/OOB/error 打断）

MSG_OOB

recv/send

带外数据（SUSv3）

MSG_NOSIGNAL

send

对端关时不发 SIGPIPE（仅 Linux）

MSG_MORE

send

cork 数据同 TCP segment 等；UDP 时聚合成一个 datagram

When：(1) 想在一段代码中混合阻塞与非阻塞——MSG_DONTWAIT；(2) HTTP server 想确定请求是否完整又不想消耗数据——MSG_PEEK；(3) 写 handler 想防 SIGPIPE——signal(SIGPIPE, SIG_IGN) 或 MSG_NOSIGNAL；(4) 想优化 small HTTP 响应——MSG_MORE cork headers 后接 body。

Example：recv(sfd, buf, n, MSG_PEEK) 看但不取，再调 recv 真正取（用于协议分帧）；MSG_WAITALL 等价 readn，但系统调用次数少且行为更严格。

61.4 `sendfile` 与 `TCP_CORK` 零拷贝传输

What：sendfile(out_fd, in_fd, offset, count) 把 regular file 直接由内核送 socket，不经用户空间。TCP_CORK socket 选项在 TCP 层 corks 后续 write 直到 unsets，形成「HTTP header + body 一个 segment」。

Why：(1) 普通 read+write 至少 2 次用户态 ↔ 内核态拷贝 + 2 次系统调用；(2) sendfile 一次系统调用、内核直接 page flip；HTTP server、文件下载、CDN 大幅提效。

How：sendfile 用法：

#include <sys/sendfile.h>
ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *offset, size_t count);
/* out_fd: socket；in_fd: regular file（可 mmap）；offset != NULL 时为 value-result。 */

/* TCP_CORK 配 HTTP: 头 + body 一个 segment */
int optval = 1;
setsockopt(sockfd, IPPROTO_TCP, TCP_CORK, &optval, sizeof(optval));
write(sockfd, headers, header_len);
sendfile(sockfd, body_fd, NULL, body_size);
optval = 0;
setsockopt(sockfd, IPPROTO_TCP, TCP_CORK, &optval, sizeof(optval));

Linux 2.4：out_fd 可以是 regular file（互拷两份文件）；Linux 2.6 起不再支持；2.6.17 后增加 splice/tee/vmsplice 提供更通用 zero-copy；FreeBSD 上有 TCP_NOPUSH 等价物。

When：(1) 文件下载 / 静态资源服务器；(2) HTTP server 想要 header + body 一个 segment；(3) 不需要预读 / 处理文件内容场景。

Example：图 61-1 左侧 read+write 浪费用户态 buffer；右侧 sendfile 直接内核 page cache → socket send buffer。

61.5 `getsockname` / `getpeername` 与连接后的地址

What：getsockname(sockfd, addr, *addrlen) 返回 socket 绑定的本地地址；getpeername 返回对端地址（限连接的 socket）。

Why：(1) 被 inetd 启动的程序无法用 accept 取对端地址，只能用 getpeername；(2) 想取得内核隐式 bind 给的 ephemeral port；(3) 调试 / 日志打印对端信息。

How：addrlen 是 value-result，传入 buf 大小、返回实际写入。

When：(1) 程序 accept 后想记录 client 信息或实现黑名单；(2) client 想确认自己连的是哪个 ephemeral port 或哪个 local IP；(3) port=0 隐式 bind 后想确认分到的实际 port。

Example：TLPI Listing 61-3 socknames.c 同时跑 listener+client+accept，从 netstat 也能看到两端端口号一致。

61.6 TCP 深度：状态机、TIME_WAIT

What：TCP 连接在内核里有离散状态——LISTEN / SYN_SENT / SYN_RECV / ESTABLISHED / FIN_WAIT1/2 / CLOSING / TIME_WAIT / CLOSE_WAIT / LAST_ACK / CLOSED。

Why：调试 TCP 应用必须能解释为什么「服务器重启报 EADDRINUSE」、「主动关闭方多耗时 2 MSL 才释放」、「为什么对端先 FIN 一段时间后才进入 CLOSED」——这些都来自状态机。

How：

阶段	主动关闭方（client 视角）
被动关闭方（server 视角）	数据传输
ESTABLISHED	ESTABLISHED
本端 close / 发 FIN	FIN_WAIT1 → (收 ACK) → FIN_WAIT2 → (收 FIN) → TIME_WAIT → (2MSL) → CLOSED
CLOSE_WAIT → close → LAST_ACK → (收 ACK) → CLOSED	异常路径
FIN_WAIT1 同时收 FIN → CLOSING → (收 ACK) → TIME_WAIT	（无）

阶段

主动关闭方（client 视角）

被动关闭方（server 视角）

数据传输

ESTABLISHED

本端 close / 发 FIN

FIN_WAIT1 → (收 ACK) → FIN_WAIT2 → (收 FIN) → TIME_WAIT → (2MSL) → CLOSED

CLOSE_WAIT → close → LAST_ACK → (收 ACK) → CLOSED

异常路径

FIN_WAIT1 同时收 FIN → CLOSING → (收 ACK) → TIME_WAIT

（无）

TIME_WAIT 两大作用： . 确保可靠终止：主动方发的最后 ACK 可能丢失；保留 socket 让它在 2MSL 期间重发最后 ACK，对端不会收到 RST 而把连接当错。 . 清掉旧 segment：避免同一 4-tuple（local-IP, local-port, foreign-IP, foreign-port）的新连接接收旧 connection 的延迟 segment，导致数据错乱。

Linux MSL = 30s（BSD 同理），TIME_WAIT = 60s；RFC 1122 推荐 MSL=120s，TIME_WAIT 可达 240s。

When：(1) 重启服务器报 EADDRINUSE —— 不是真的 TIME_WAIT 防错，而是默认内核禁止在 active state 存在时 bind；(2) 想要短重启间隔不撞端口 —— 用 SO_REUSEADDR；(3) 不要尝试 SO_LINGER l_linger=0 绕过 TIME_WAIT——会让 socket 不发 FIN 直接 RST，绕开可靠性。

Example：netstat -atn | grep TIME_WAIT | wc -l 看 server 关闭后的 TIME_WAIT 数；client 主动 close 后会用 ephemeral port 出现一次 TIME_WAIT。

61.7–61.8 `netstat` / `tcpdump` 调试

What：netstat 显示本机 socket 状态；tcpdump 抓包显示 TCP segment 序列号、SYN/FIN/RST 标志、ack、window 等。

Why：调试 TCP 应用必备工具——「为什么对端没收到数据」、「为什么 server close 后立刻 bind 失败」、「三次握手在哪一步中断」——都靠它们。

How：netstat -a --inet 列出全部 Internet socket，State 列指明 LISTEN / ESTABLISHED / TIME_WAIT 等；-p 看 pid；/proc/net/{tcp,udp,tcp6,udp6,unix} 也可读取。

tcpdump -tn 'port 55555' 抓某端口的包；每行 src > dst: flags data-seqno ack window urg <options>。

When：(1) 怀疑端口被占 → netstat -tlnp；(2) 怀疑三次握手失败 → tcpdump；(3) 想看 server TIME_WAIT 数 → netstat -t | grep TIME_WAIT | wc -l。

Example：TLPI 给的 TCP 连接建立 3 个 segment —— SYN、SYN/ACK、ACK，flags 列分别 S、S. (SYN+ACK)、. (ACK)。

61.9–61.10 socket 选项与 `SO_REUSEADDR`

What：getsockopt/setsockopt(sockfd, level, optname, &val, optlen) 读取 / 修改 socket 选项。level=SOL_SOCKET 是套接字级；IPPROTO_TCP 等对应协议级；SO_REUSEADDR 是套接字级选项。

Why：(1) SO_REUSEADDR —— 解决 server 重启 EADDRINUSE；(2) SO_KEEPALIVE —— 启用 TCP keepalive；(3) SO_RCVBUF/SO_SNDBUF —— 调整 buffer 大小；(4) SO_LINGER —— 控制 close 行为（一般不建议）；(5) SO_BROADCAST —— 允许 UDP 广播；(6) SO_OOBINLINE —— 把 OOB 数据混入正常流。

How：

#include <sys/socket.h>
int getsockopt(int sockfd, int level, int optname, void *optval,
               socklen_t *optlen);          /* optlen 是 value-result */
int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval,
               socklen_t optlen);           /* setsockopt optlen 是 value */

SO_TYPE 是只读；不能 set 类型。

4-元组 {local-IP, local-port, foreign-IP, foreign-port} 必须唯一——但多数内核做了更严的「本地端口被任何 connection 占用时禁止 bind」，SO_REUSEADDR 把规则放松到 TCP 规范。

When：(1) TCP server 启用 SO_REUSEADDR（accept 前）+ bind + listen；(2) 想调整 buffer 用 SO_RCVBUF/SO_SNDBUF；(3) 想探测已存在 socket 类型用 SO_TYPE。

Example：TLPI Listing 61-4 标准用法：

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
int optval = 1;
setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval, sizeof(optval));
bind(sockfd, &addr, addrlen);
listen(sockfd, backlog);

61.11 `accept()` 后的继承与 socket 高级特性

What：accept 返回的新 fd 在 Linux 上 不继承 listen fd 的 open-file status flags (O_NONBLOCK)、fd flags (FD_CLOEXEC)、F_SETOWN/F_SETSIG 信号驱动 I/O 关联；但继承大部分 socket 选项（SO_REUSEADDR 等）。SUSv3 对此没规定，跨实现行为有差异。

Why：可移植代码需要在 accept 后显式重设这些属性；TLPI 给出 fcntl 调用模式。

How：fcntl(cfd, F_SETFL, O_NONBLOCK); 在子进程里显式设非阻塞。

When：(1) 写可移植代码必须显式重设 O_NONBLOCK；(2) UDP 通知 / SIGURG 行为要在 accept 后重新 fcntl(F_SETOWN, getpid())。

Example：accept 后立刻 fcntl(cfd, F_SETFD, FD_CLOEXEC) 防 EXEC leak。

61.12 TCP vs UDP / 高级 topics

What：UDP 在某些场景比 TCP 更优——单次 RTT 节省、广播 / 多播、流式媒体偶尔丢包可容忍；但可靠性 / 流控 / 拥塞控制需应用自实现；不少场景还是 TCP 更稳。

Why：TCP best-case 时间 = 2×RTT + SPT（建连 → 请求 → 响应 → 拆连），UDP best-case = RTT + SPT；远距离 WAN 上 RTT 数百 ms，UDP 节省可观，但需要应用层重传。

How：

场景	TCP 选择	UDP 选择
一次性请求/响应	—	DNS、SNMP 查询
长会话 / 大块传输	HTTP 文件传输、FTP、SSH	—
实时视频/音频	—	RTP、游戏状态、直播
广播 / 多播	—	DHCP、mDNS、TV 流
简单 RPC 重试机制	一般选 TCP 省事	QUIC 类重传机制可让 UDP 容忍丢包

场景

TCP 选择

UDP 选择

一次性请求/响应

—

DNS、SNMP 查询

长会话 / 大块传输

HTTP 文件传输、FTP、SSH

—

实时视频/音频

—

RTP、游戏状态、直播

广播 / 多播

—

DHCP、mDNS、TV 流

简单 RPC 重试机制

一般选 TCP 省事

QUIC 类重传机制可让 UDP 容忍丢包

高级话题： . Out-of-band data：MSG_OOB 发送接收；TCP 实际只支持 1 byte 紧急（urgent pointer 指向 1 byte）；现代建议用双 socket 替代。 . sendmsg/recvmsg：最通用 I/O，支持 scatter-gather + ancillary data (cmsg)；UNIX 域上可传 fd、sender credentials。 . Passing file descriptors：UNIX 域 + SCM_RIGHTS 跨进程传 fd（master server → worker pool）。 . Sequenced-packet sockets：SOCK_SEQPACKET 结合 stream 可靠性 + dgram 边界；Linux 2.6.4 起 UNIX 域支持；Internet 上需 SCTP。 . SCTP / DCCP：SCTP 多 stream 通信；DCCP UDP-like + 拥塞控制。

When：(1) 写跨进程文件描述符传递——UNIX 域 sendmsg + SCM_RIGHTS；(2) 想 1 字节紧急信号——OOB；(3) 多流可靠传输——SCTP。

Example：TLPI 练习 61-5 建议 server 用 socket + dup2(STDOUT/STDERR) + execl 让 shell 命令输出回流 client —— 演示 child handle single connection 模式。

三、关键图表

关键系统调用与选项

系统调用头文件用途

readn/writen

"rdwrn.h"

完整 N 字节读写循环

shutdown

<sys/socket.h>

半关闭（SHUT_RD/WR/RDWR）

recv/send

<sys/socket.h>

socket I/O + flags

sendfile

<sys/sendfile.h>

zero-copy file → socket

getsockname/getpeername

<sys/socket.h>

取连接地址

getsockopt/setsockopt

<sys/socket.h>

读写 socket 选项

recvmsg/sendmsg

<sys/socket.h>

scatter-gather + ancillary

关键选项

头文件

用途

SO_TYPE

SOL_SOCKET

只读，socket 类型

SO_REUSEADDR

SOL_SOCKET

bind 时跳过连接占用

SO_KEEPALIVE

SOL_SOCKET

TCP keepalive

SO_RCVBUF/SO_SNDBUF

SOL_SOCKET

收发缓冲区大小

SO_BROADCAST

SOL_SOCKET

允许 UDP 广播

SO_LINGER

SOL_SOCKET

close 行为

SO_OOBINLINE

SOL_SOCKET

OOB 放回正常流

TCP_CORK

IPPROTO_TCP

cork 数据到同 segment

TCP_NODELAY

IPPROTO_TCP

禁用 Nagle

TCP_KEEPALIVE 等

IPPROTO_TCP

TCP 协议级参数

TCP 状态

状态

触发

描述

CLOSED

初始 / 最终

无连接

LISTEN

listen

server 接受 SYN

SYN_SENT

connect

client 发 SYN 后等待

SYN_RECV

accept 前

server 收到 SYN 已回 SYN/ACK

ESTABLISHED

三次握手后

数据传输

FIN_WAIT1

close 发 FIN 后

等 ACK

FIN_WAIT2

收到 FIN_WAIT1 ACK

等对端 FIN

CLOSING

FIN_WAIT1 中收对端 FIN

双方同时 close 罕见

TIME_WAIT

主动关最后 ACK 后

2MSL 等待

CLOSE_WAIT

收对端 FIN

本端 close 后 → LAST_ACK

LAST_ACK

本端 close 后发 FIN

等最后 ACK

四、思维导图

mindmap
  root((第 61 章 高级主题))
    部分读写
      readn writen
      EINTR 重启
      MSG_WAITALL
    shutdown 半关闭
      SHUT_RD
      SHUT_WR
      SHUT_RDWR
      跨 fd 引用关闭
    socket I/O flags
      MSG_PEEK
      MSG_DONTWAIT
      MSG_NOSIGNAL
      MSG_MORE
    sendfile zero copy
      文件 socket
      TCP_CORK
      splice tee
    TCP 状态
      三次握手
      四次挥手
      TIME_WAIT 2MSL
      netstat tcpdump
    socket 选项
      SO_REUSEADDR
      SO_TYPE 只读
      accept 不继承 flags
      inherit options
    高级特性
      OOB data
      sendmsg recvmsg
      传 fd credentials
      SOCK_SEQPACKET
      SCTP DCCP

五、重点与易错点

read()/write() 可能 partial——必须循环——除非明确只想要「任何字节」，否则都得用 readn/writen 或 MSG_WAITALL。
close() ≠ shutdown()——close 关闭整个 socket，受 fd 引用计数；shutdown 关闭通道，作用在 open file description。要半关闭必须 shutdown(SHUT_WR)。
SHUT_RD 在 TCP 上跨实现行为不一致——Linux / BSD 表现不同；除非必要不要在跨平台代码用 SHUT_RD。
MSG_PEEK 配合两次 recv 是常见协议分帧模式——看但不移走数据；不要忘记 MSG_PEEK 后第二次 recv 必须不传 MSG_PEEK 才真实消费。
MSG_NOSIGNAL 比 signal(SIGPIPE, SIG_IGN) 粒度更细——前者 per-call 控制；后者全局；某些库内部用前者避免影响调用方。
MSG_MORE 是 TCP_CORK 的 per-call 版本——都 cork 数据合 segment；要确保 finally 关 cork 否则数据不发出。
sendfile 只支持 file → socket——不能 socket ↔ socket、不能 socket → file（2.6 起）；splice/tee 是更通用的 zero-copy 工具。
TCP TIME_WAIT 是设计而非缺陷——2MSL 让最后 ACK 可重发 + 让旧 segment 过期；不要试图关掉，SO_REUSEADDR 已可解决常见 bind 冲突。
EADDRINUSE 不一定来自 TIME_WAIT——也可能是其他活跃 TCP 占本地端口；用 netstat -tlnp 查实际占用者。
SO_REUSEADDR 必须在 bind 前设置——在 listen 前调用 setsockopt；否则无效。
SO_LINGER 是陷阱多于价值——l_linger=0 时 close 直接 RST 不发 FIN，丢弃未发数据、破坏可靠性；生产代码几乎不用。
accept 后新 fd 不继承 O_NONBLOCK / FD_CLOEXEC——跨进程 / fork-per-client 设计必须在子进程显式重设。
OOB (MSG_OOB) 在 TCP 上只 1 byte——TCP 用 urgent pointer，紧急数据实际是「后面第 1 个 byte」语义；现代建议用双 socket。
splice + tee + vmsplice 是 sendfile 的现代替代——更灵活（fd ↔ pipe、pipe ↔ socket）；研究 Linux 2.6.17+ 的这组系统调用。
netstat / tcpdump 必备工具——ESTABLISHED、TIME_WAIT、LISTEN 三种状态是日常调试核心；tcpdump 看 SYN/FIN 标志验证三次握手、四次挥手。
跨章衔接：第 59 章 IPv4/IPv6 地址结构与 getaddrinfo；第 60 章 fork-per-client 主动关闭后产生 TIME_WAIT；第 63 章备选 I/O 模型（select/poll/epoll）是对高负载服务器 model 的延伸；第 44 章管道与本节「partial read/write」互为对照（管道也是字节流）。

第 61 章 Sockets: 高级主题 (Sockets: Advanced Topics)

核心结论

一、核心概念

二、详细笔记

61.1 流式 socket 的 partial read/write 与 readn/writen

61.2 shutdown 系统调用与 half-close

61.3 socket 专用 I/O：recv/send 与 flags

61.4 sendfile 与 TCP_CORK 零拷贝传输

61.5 getsockname / getpeername 与连接后的地址

61.6 TCP 深度：状态机、TIME_WAIT

61.7–61.8 netstat / tcpdump 调试

61.9–61.10 socket 选项与 SO_REUSEADDR

61.11 accept() 后的继承与 socket 高级特性

61.12 TCP vs UDP / 高级 topics

三、关键图表

四、思维导图

五、重点与易错点

61.2 `shutdown` 系统调用与 half-close

61.3 socket 专用 I/O：`recv`/`send` 与 flags

61.4 `sendfile` 与 `TCP_CORK` 零拷贝传输

61.5 `getsockname` / `getpeername` 与连接后的地址

61.7–61.8 `netstat` / `tcpdump` 调试

61.9–61.10 socket 选项与 `SO_REUSEADDR`

61.11 `accept()` 后的继承与 socket 高级特性