部分读和部分写

套接字上面可能发生部分读和部分写，书中提供了 writen() 和 readn() 函数来保证读写完数据，接口和 write() / read() 一样，可以借鉴一下这种思路。

shutdown() 函数

可以指定关闭 socket 的读 / 写 / 读写。如果不用 shutdown()，打开的 socket（文件描述）只会在所有指向它的文件描述符都关闭了之后才会被关闭。

• SHUT_RD：关闭读端。在 UNIX 域流套接字上面执行了这个操作之后，对端应用程序写入会受到 SIGPIPE 信号（或者 EPIPE 错误，如果屏蔽或处理了这个信号）。对于 TCP 套接字，关闭读端没有意义。
• SHUT_WR：关闭写端。读端能继续读，读完之后能看到 EOF，写端不能再写（SIGPIPE 和 EPIPE）。
• SHUT_RDWR：相当于先执行 SHUT_RD 再执行 SHUT_WR。

recv() 和 send()

接口相比 read() 和 write() 多了一个 flags 参数，能在 socket 操作上面对本次读写实现更多的功能控制。

sendfile()

sendfile() 能将文件（fd）的指定范围（offset 和 count）的数据直接发送到套接字中。与先读数据后写入相比，这样的操作不需要经过用户缓冲区，能直接在内核缓冲区完成传输。

#include <sys/sendfile.h>

ssize_t sendfile(int out_fd, int in_fd, off_t *_Nullable offset,
                 size_t count);

写入的文件描述符 out_fd 必须是套接字，读取的文件 in_fd 必须是可以用 mmap() 操作的（一般是普通文件）。

在 Linux 2.6.33 之后，out_fd 不再必须是一个 socket，可以是任何文件。在 Linux 5.1.2 之后，如果 out_fd 是一个 pipe，那么 sendfile() 就等同 splice(2)，受到它的规则限制。

TCP_CORK 选项

当在 TCP 套接字上启用了 TCP_CORK 选项后，之后所有的输出都会缓冲到一个单独的 TCP 报文段中，直到满足以下条件为止：已达到报文段的大小上限、取消了 TCP_CORK 选项、套接字 被关闭，或者当启用 TCP_CORK 后，从写入第一个字节开始已经经历了 200 毫秒。

可以用 setsockopt() 来启用或关闭 TCP_CORK 选项。有了这个选项，我们在传输 html 的时候就能先用 write() 写 HTTP 响应头，再用 sendfile() 传输 html 文件（如果页面文件存在磁盘上），然后让消息一并发送（而不是分成两个包发送）。

获取套接字地址

getsockname() 和 getpeername() 这两个系统调用可以分别获取套接字地址和对端地址（流式套接字连接中的对端的套接字）。当套接字发生了隐式绑定时，我们不知道套接字的地址，就需要用这两个系统调用来查询。

隐式绑定发生在：

1. 在 TCP 套接字上执行 connect() 或者 listen()，但是没有执行 bind()。
2. 在 UDP 套接字上没有执行 bind()，首次执行 sendto() 时。
3. 在调用 bind() 时指定的端口号为 0，内核会自动分配一个合适的端口号。

深入探讨 TCP 协议

报文格式

略。

TCP 连接建立和断开的流程

图中粗线是客户端的路径，虚线是服务器的路径。还有一些路径因为比较少见没有被画出。

有以下观察：

1. 服务器和客户端都是在发送了 SYN 之后才进入 SYN_* 状态的。
2. 主动打开 / 关闭都是指客户端，被动打开 / 关闭都是指服务器。服务器被动关闭有可能是客户端主动关闭导致的结果。
3. 这张图没有指出服务器主动关闭连接的状态变化路径，只有客户端主动关闭、服务器被动关闭的路径。
4. 客户端在 FIN_WAIT1 状态先后或同时接收到 FIN 和 SYN 后进入 TIME_WAIT 状态。

TCP 连接的过程被称为 3 次握手。

客户端进入 TIME_WAIT 状态后，等待 2 个 MSL 之后就会进入 CLOSED 状态。

TCP 的半双工关闭

前面讨论的是 TCP 的全双工关闭，也就是应用程序通过 close() 将 TCP 套接字的读取和写入端都关闭了。但是我们也可以只用 shutdown() 来只关闭读或者写一侧。

如果用 SHUT_WR，那么就不能再往套接字里面写东西了，但是仍能接收对侧的数据。

如果用 SHUT_RD，那么在没有数据时会返回 EOF（而不是阻塞，在 Linux 等实现上有这样的行为），但是有新数据时仍然能读到，这和我们的预期不符。在 BSD 等实现中，SHUT_RD 会导致以后读不出来数据，但是这无法阻止写入方继续写数据，最终会导致数据写满、写入方被阻塞。（在 UNIX 域套接字中，关闭读取侧会导致写入方写入时收到 SIGPIPE 信号和 EPIPE 错误码。）由于不可移植，不建议使用 SHUT_RD 来操作 TCP 的关闭。

为什么有 TIME_WAIT 状态

TIME_WAIT 状态下，客户端等待 2 个 MSL 后关闭连接。MSL 是 IP 报文在超过 TTL 限制（8 位，最大 255 跳）前可在网络中生存的最大估计时间。BSD 的套接字实现假设 MSL 为 30 秒，而 Linux 遵循了 BSD 规范。因而，Linux 上的 TIME_WAIT 状态将持续 60 秒。（但是，RFC 1122 建议 MSL 的值为 2 分钟，如果有其他系统遵循了这个规范，那么 TIME_WAIT 状态将持续 4 分钟。）

观察 TCP 关闭连接的示意图（在上面），客户端发出 ACK 之后就会进入 TIME_WAIT 状态。如果这个 ACK 丢了，服务器会重传 FIN 回来，客户端需要等待一会来接收重传的 FIN 并发 ACK 响应。这样一来一回就是 2 MSL。如果服务器发送 FIN 时客户端侧已经关闭，根据 TCP 的规定，服务器会收到 RST，这被视为一种错误，客户端多等一段时间就能减少这种错误的发生。

另外一方面，还要确保之前连接的报文都过期才能（可靠地）断开连接。TCP 是有重传的，所以可能会收到重复的报文，客户端在 TIME_WAIT 状态占着连接，因此不能创建标识相同的新连接（IP + 端口），这样才不会让旧报文被误以为是新连接中的报文。

套接字监控

netstat

略，现在可以用 ss 了，更快。

tcpdump：监视 TCP 流量

书上的例子是：tcpdump -t -N 'port 55555'。有可能需要加上 sudo。书上还提到了 wireshark 有类似的功能。

套接字选项

系统调用 getsockopt(2) 和 setsockopt(2) 可以获取和设置套接字的选项。比如可以用 getsockopt(2) 来获取套接字的类型，这在子进程中可能会有用，因为子进程不知道继承来的文件描述符对应的套接字类型。

SO_REUSEADDR 套接字选项

这个选项有多种用途，书上只关心“避免 TCP 服务器重启时，套接字不能再绑定到同一个端口上的错误（EADDRINUSE）”这一个用途。

当之前连接到客户端的服务器因为 close() 或者崩溃（e.g. 被信号杀死）执行了主动关闭时，TCP 结点要等待两个 MSL 之后才会完全关闭连接，这个时候之前的 TCP 端口被占用，不能被新的 socket 绑定。这个问题一般不会出现在客户端上，因为客户端可以使用临时端口号，并不一定要绑定在之前的端口上。

TCP 连接的标识是 4 元组：本地 IP、本地端口、对端 IP、对端端口。但是大多数实现（包括 Linux）的要求更加严格，如果本地有任何可以匹配到本地端口的 TCP 连接，那么本地端口不能被重用。通过在套接字绑定之前用 setsockopt(2) 设置其 SO_REUSEADDR 选项就能使得套接字可以绑定在尚有连接的本地端口上，很多服务器程序都是这么做的。

书中的列表 61-4：

int sockfd, optval;

sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);     
if (sockfd == -1)
    errExit("socket");

optval = 1;
if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &optval,
        sizeof(optval)) == -1)
    errExit("socket");

if (bind(sockfd, &addr, addrlen) == -1)
    errExit("bind");
if (listen(sockfd, backlog) == -1)
    errExit("listen");

套接字选项的继承

在 accept() 接收连接之后，返回的新套接字是否会继承之前套接字的属性？

在 Linux 上，返回的新套接字会继承大多数套接字属性，但是有一些属性不会继承：（1）文件描述符标记，可以用 fcntl() 的 F_SETFL 修改，比如 FD_CLOEXEC；（2）打开的文件描述的标记，可以用 fcntl() 的 F_SETFD 修改，比如 O_NONBLOCK 和 O_ASYNC；（3）和信号驱动 I/O 相关的文件描述符属性，可以用 fcntl() 的 F_SETOWN 和 F_SETSIG 操作。

在有一些实现上，上面的部分属性比如 O_NONBLOCK 和 O_ASYNC 会被继承到新的文件描述符上，但是这种行为并不是可移植的。最好是在获取到新的套接字文件描述符之后显式设置其属性。

套接字高级功能

带外（out-of-band）数据

带外数据是流式套接字的一种高级特性，允许发送端将传输的数据标记为高优先级。由于 TCP 本身没有办法指明紧急数据序列的长度，所以 TCP 上的带外数据只能有 1 个字节，新的带外数据会覆盖旧的带外数据（就像标准信号一样不排队）。在发送和接收带外数据时，send() 和 recv() 中要加上 MSG_OOB 标记。

有很多应用都使用了带外数据，比如 telnet、rlogin、ftp 能使用带外数据来传输控制指令，及时停止之前的传输的命令。

有些 UNIX 实现的 UNIX 域流式套接字也支持带外数据，但是 Linux 不支持。现在已经不提倡使用带外数据了，因为有些情况下它可能是不可靠的。如果要区分优先级，更通用的方法是维护两个连接，而不是使用同一个。

sendmsg() 和 recvmsg() 系统调用

套接字 I/O 中最为通用的两种方法。除了能实现 send() / sendto() / recv() / recvfrom() 的功能之外，还能实现：

1. 类似于 readv() 和 writev() 的分散聚合 I/O（scatter-gather I/O）。
2. 传输特定于域的辅助信息。

Linux 2.6.33 版新增了一个系统调用 recvmmsg()。该系统调用类似于 recvmsg()，但允许在单个系统调用中接收多个数据报。Linux 3.0 新增了系统调用 sendmmsg()。

特定于域的辅助信息举例：

1. UNIX 域上，可以通过 sendmsg() 将文件描述的相关信息发送给其他进程。这样其他进程就可以得到一个新的文件描述符，这个文件描述符指向和另一进程打开文件相同的文件描述。
2. UNIX 域上，接收端还能通过辅助信息验证发送端的进程凭证（用户 ID、组 ID、进程 ID），这样就能检查发送端的身份。发送者传递的身份由内核检查，如果发送者没有特权，则必须传递自己的真实身份。详细内容可以查阅 unix(7)。

顺序数据包套接字

英文是 sequenced-packet sockets，对应 SOCK_SEQPACKET 这个选项。基本上和流式套接字相同，但是保留了消息边界，一次只读取一条消息。从内核 2.6.4 开始，Linux 在 UNIX 域套接字上面支持了 SOCK_SEQPACKET。

TCP 和 UDP 不支持 SOCK_SEQPACKET，但是 SCTP 协议支持了 SOCK_SEQPACKET。

SCTP 以及 DCCP 传输层协议

SCTP（流式传输协议）和 TCP 很像，但是保留了消息边界，而且能在一条连接上支持多条数据流。在 Linux 2.6 版本开始支持。

DCCP（数据报拥塞控制协议）和 UDP 很像，但是提供了拥塞控制能力。在 Linux 2.6.14 版本开始支持。