Linux 套接字编程中的5 个隐患
在异构环境中开发可靠的网络应用程序
M. Tim Jones (mtj@https://www.doczj.com/doc/b211333992.html,), 资深软件工程师, Emulex
简介： Socket API 是网络应用程序开发中实际应用的标准API。尽管该API 简单，但是开发新手可能会经历一些常见的问题。本文识别一些最常见的隐患并向您显示如何避免它们。标记本文！
发布日期： 2005 年10 月08 日
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如果不是所有的字符都能够在函数调用时排队，则最终的返回值是发送的字符数。由于send的MSG_DONTWAIT变量的无阻塞性质，函数调用在发送完所有的数据、一些数据或没有发送任何数据后返回。在这里忽略返回状态将导致不完全的发送和随后的数据丢失。
回页首隐患2．对等套接字闭包
UNIX 有趣的一面是您几乎可以把任何东西看成是一个文件。文件本身、目录、管道、设备和套接字都被当作文件。这是新颖的抽象，意味着一整套的API 可以用在广泛的设备类型上。
考虑read API 函数，它从文件读取一定数量的字节。read函数返回读取的字节数（最高为您指定的最大值）；或者-1，表示错误；或者0，如果已经到达文件末尾。
如果在一个套接字上完成一个read操作并得到一个为0 的返回值，这表明远程套接字端的对等层调用了close API 方法。该指示与文件读取相同——没有多余的数据可以通过描述符读取（参见清单2）。
清单2．适当处理read API 函数的返回值
int sock, status;
sock = socket( AF_INET, SOCK_STREAM, 0 );
...
status = read( sock, buffer, buflen );
if (status > 0) {
/* Data read from the socket */
} else if (status == -1) {
/* Error, check errno, take action... */
} else if (status == 0) {
/* Peer closed the socket, finish the close */
close( sock );
/* Further processing... */
}
同样，可以用write API 函数来探测对等套接字的闭包。在这种情况下，接
收SIGPIPE信号，或如果该信号阻塞，write函数将返回-1 并设
置errno为EPIPE。
回页首隐患3．地址使用错误（EADDRINUSE）
您可以使用bind API 函数来绑定一个地址（一个接口和一个端口）到一个套接字端点。可以在服务器设置中使用这个函数，以便限制可能有连接到来的接口。也可以在客户端设置中使用这个函数，以便限制应当供出去的连接所使用的接口。bind最常见的用法是关联端口号和服务器，并使用通配符地址（INADDR_ANY），它允许任何接口为到来的连接所使用。
高位优先架构（比如PowerPC?）比低位优先架构（比如Intel? Pentium? 系列，其网络字节顺序是高位优先）有优势。这意味着，对高位优先的机器来说，在TCP/IP 内控制数据是自然有序的。低位优先架构要求字节交换——对网络应用程序来说，这是一个轻微的性能弱点。
通过套接字发送一个C 结构会怎么样呢？这里，也会遇到麻烦，因为不是所有的编译器都以相同的方式排列一个结构的元素。结构也可能被压缩以便使浪费的空间最少，这进一步使结构中的元素错位。
幸好，有解决这个问题的方案，能够保证两端数据的一致解释。过去，远程过程调用（Remote Procedure Call，RPC）套装工具提供所谓的外部数据表示（External Data Representation，XDR）。XDR 为数据定义一个标准的表示来支持异构网络应用程序通信的开发。
现在，有两个新的协议提供相似的功能。可扩展标记语言/远程过程调用（XML/RPC）以XML 格式安排HTTP 上的过程调用。数据和元数据用XML 进行编码并作为字符串传输，并通过主机架构把值和它们的物理表示分开。SOAP 跟随XML-RPC，以更好的特性和功能扩展了它的思想。参见参考资料小节，获取更多关于每个协议的信息。
回页首隐患5．TCP 中的帧同步假定
TCP 不提供帧同步，这使得它对于面向字节流的协议是完美的。这是TCP 与UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）的一个重要区别。UDP 是面向消息的协议，它保留发送者和接收者之间的消息边界。TCP 是一个面向流的协议，它假定正在通信的数据是无结构的，如图1 所示。
图1．UDP 的帧同步能力和缺乏帧同步的TCP
图1 的上部说明一个UDP 客户端和服务器。左边的对等层完成两个套接字的写操作，每个100 字节。协议栈的UDP 层追踪写的数量，并确保当右边的接收者通过套接字获取数据时，它以同样数量的字节到达。换句话说，为读者保留了写者提供的消息边界。
现在，看图1 的底部．它为TCP 层演示了相同粒度的写操作。两个独立的写操作（每个100 字节）写入流套接字。但在本例中，流套接字的读者得到的是200 字节。协议栈的TCP 层聚合了两次写操作。这种聚合可以发生在TCP/IP 协议栈的发送者或接收者中任何一方。重要的是，要注意到聚合也许不会发生—— TCP 只保证数据的有序发送。
对大多数开发人员来说，该陷阱会引起困惑。您想要获得TCP 的可靠性和UDP 的帧同步。除非改用其他的传输协议，比如流传输控制协议（STCP），否则就要求应用层开发人员来实现缓冲和分段功能。
回页首调试套接字应用程序的工具
GNU/Linux 提供几个工具，它们可以帮助您发现套接字应用程序中的一些问题。此外，使用这些工具还有教育意义，而且能够帮助解释应用程序和TCP/IP 协议栈的行为。在这里，您将看到对几个工具的概述。查阅下面的参考资料了解更多的信息。
查看网络子系统的细节
软件，它可以帮助调试应用层协议。它的插入式架构（plug-in architecture）可以分解协议，比如HTTP 和您能想到的任何协议（写本文的时候共有637 个协议）。
回页首总结
套接字编程是容易而有趣的，但是您要避免引入错误或至少使它们容易被发现，这就需要考虑本文中描述的这5 个常见的陷阱，并且采用标准的防错性程序设计实践。GNU/Linux 工具和实用程序还可以帮助发现一些程序中的小问题。记住：在查看实用程序的帮助手册时候，跟踪相关的或“请参见”工具。您也许会发现一个必要的新工具。
参考资料
学习
?您可以参阅本文在developerWorks 全球站点上的英文原文。
?TCP 状态机有11 个状态。参见W. Richard Steven 的illustration from TCP/IP Illustrated, Volume 1一书。
?在Wikipedia 上探究Endianness的历史和含意。
?了解更多关于IBM 的开放式、可伸缩和可定制的Power Architecture的信息。
?从Programming in C课件阅读RPC/XDR 简介。
?获取更多关于XML-RPC 以及在Java? 应用程序中如何使用它的信息，请阅读“Java 编程中的XML-RPC” （developerWorks，2004 年1 月）。
?SOAP 以XML-RPC 的特性为基础。请在https://www.doczj.com/doc/b211333992.html,上查找规范、工具、教程和文章。
?SCTP兼有TCP 和UDP 的特性，以及可用性和可靠性。
?教程“Linux Socket 编程，第一部分” （developerWorks，2003 年10 月）讲解如何开始套接字编程以及如何构建一个通过TCP/IP 连接的echo 服务器和客户
端。“Linux Socket 编程，第二部分” （developerWorks，2004 年1 月）集中讨
论UDP 并且讲解如何用C 和Python 编写UDP 套接字应用程序（尽管代码会翻译为其他语言）。
?netstat 手册页提供有关各种使用netstat 的方法的细节。
?BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective（作者M. Tim Jones），用6 种不同的语言介绍了套接字编程的技巧。
?在developerWorks Linux 专区上查找更多为Linux 开发人员提供的参考资料。
?Ethereal network protocol analyzer提供tcpdump 的功能，它具有图形用户界面和可伸缩的插入式架构。
?免费索取SEK for Linux（两张DVD），它包含来自DB2?、Lotus?、Rational?、Tivoli? 以及WebSphere? 的最新IBM 试用软件的Linux 版本。
?用IBM 试用软件在Linux 上构建您的下一个开发项目，可以直接在developerWorks 上下载。
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?通过参与developerWorks blog加入developerWorks 社区。
关于作者
Tim Jones 是一名嵌入式软件工程师，他是GNU/Linux Application Programming、AI Application Programming以及BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective等书的作者。他的工程背景非常广泛，从同步宇宙飞船的内核开发到嵌入式架构设计，再到网络协议的开发。Tim 是Emulex Corp. 的一名资深软件工程师。