「linux」epoll和shutdown使用不当可能导致死循环

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首先来看段代码：

#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <strings.h>
#include <sys/epoll.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>


#define PORT 9999
#define MAX_EVENTS 10


static int tcp_listen() {
  int lfd, opt, err;
  struct sockaddr_in addr;


  lfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
  assert(lfd != -1);


  opt = 1;
  err = setsockopt(lfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
  assert(!err);


  bzero(&addr, sizeof(addr));
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
  addr.sin_port = htons(PORT);


  err = bind(lfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
  assert(!err);


  err = listen(lfd, 8);
  assert(!err);


  return lfd;
}


static void epoll_ctl_add(int epfd, int fd, int evts) {
  struct epoll_event ev;
  ev.events = evts;
  ev.data.fd = fd;
  int err = epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, fd, &ev);
  assert(!err);
}


static void handle_events(struct epoll_event *e, int epfd) {
  int err;
  printf("events: %d -> %d\n", e->data.fd, e->events);


  err = shutdown(e->data.fd, SHUT_WR);
  // err = close(e->data.fd);
  if (err) {
    printf("shutdown errno: %d\n", errno);
    exit(123);
  }
}


int main(int argc, char *argv[]) {
  int epfd, lfd, cfd, n;
  struct epoll_event events[MAX_EVENTS];


  epfd = epoll_create1(0);
  assert(epfd != -1);


  lfd = tcp_listen();
  epoll_ctl_add(epfd, lfd, EPOLLIN);


  for (;;) {
    n = epoll_wait(epfd, events, MAX_EVENTS, -1);
    assert(n != -1);


    for (int i = 0; i < n; i++) {
      if (events[i].data.fd == lfd) {
        cfd = accept(lfd, NULL, NULL);
        assert(cfd != -1);
        epoll_ctl_add(epfd, cfd, EPOLLIN | EPOLLOUT | EPOLLET);
      } else {
        handle_events(&events[i], epfd);
      }
    }
  }


  return 0;
}

代码虽然有点长，但非常简单，就是tcp和epoll的基本操作，这里需要注意的是，在handle_events方法里，在输出了socket的event相关内容后，立即调用了shutdown方法，关闭该socket的send端。

看上去好像没什么问题，我们来执行试下。

下面是服务端的完整输出：

$ gcc server.c && ./a.out
events: 5 -> 4
events: 5 -> 4
events: 5 -> 4
events: 5 -> 4
... 省略大量的events输出 ...
shutdown errno: 107
$ echo $?
123

下面是用ncat模拟的客户端的完整操作流程：

nbsp;ncat localhost 9999
^C

当服务端开始执行我们上面的程序时，终端是没有任何输出的，它在等待客户端连接。

当我们用ncat命令对服务端发起连接时，服务器终端会一直输出events，陷入死循环。

当我们ctrl-c关闭ncat模拟的客户端时，服务端停止输出events，之后，在输出完shutdown errno后，调用exit退出程序。

最后，我们用echo命令输出服务端程序的exit code，发现确实是代码里指定的123。

由上可见，服务端代码在执行完shutdown后，陷入了死循环。

但为什么呢？我们还是通过linux内核源码来看下：

// net/ipv4/af_inet.c
int inet_shutdown(struct socket *sock, int how)
{
        struct sock *sk = sock->sk;
        ...
        switch (sk->sk_state) {
        case TCP_CLOSE:
                err = -ENOTCONN;
        default:
                sk->sk_shutdown |= how;
                if (sk->sk_prot->shutdown)
                        sk->sk_prot->shutdown(sk, how);
                break;
        ...
        }
        
        sk->sk_state_change(sk);
        ...
        return err;
}
EXPORT_SYMBOL(inet_shutdown);

系统调用shutdown最终会调用该方法，由上可见，该方法先设置了sk->sk_shutdown，然后又调用了sk->sk_prot->shutdown指向的方法，该方法内容如下：

// net/ipv4/tcp.c
void tcp_shutdown(struct sock *sk, int how)
{
        if (!(how & SEND_SHUTDOWN))
                return;


        /* If we've already sent a FIN, or it's a closed state, skip this. */
        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. */
                if (tcp_close_state(sk))
                        tcp_send_fin(sk);
        }
}
EXPORT_SYMBOL(tcp_shutdown);

该方法的作用其实就是设置socket的状态和发送fin消息给对方。

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我们再继续看上面的inet_shutdown方法。

在调用完sk->sk_prot->shutdown之后，inet_shutdown方法又调用了sk->sk_state_change，而该方法的作用就是通知epoll，告诉它该socket又有事件发生。

当我们执行完shutdown系统调用后，epoll进入下一次循环，发现该socket又有事件发生了（就是上面sk->sk_state_change方法导致的事件），则继续执行我们代码中的handle_events方法，而该方法中又执行了shutdown系统调用，该系统调用又执行sk->sk_state_change方法，告知epoll该socket有事件发生，就这样，我们的代码就陷入了死循环。

为什么我们用ctrl-c关闭ncat客户端，服务端的程序能从死循环中退出呢？

我们知道，当关闭ncat客户端时，其socket会对应发送fin包给服务端，我们看下该fin包的处理流程：

// net/ipv4/tcp_input.c
void tcp_fin(struct sock *sk)
{
        ...
        sk->sk_shutdown |= RCV_SHUTDOWN;
        sock_set_flag(sk, SOCK_DONE);


        switch (sk->sk_state) {
        ...
        case TCP_FIN_WAIT2:
                /* Received a FIN -- send ACK and enter TIME_WAIT. */
                tcp_send_ack(sk);
                tcp_time_wait(sk, TCP_TIME_WAIT, 0);
                break;
        ...
        }
        ...
}

因为服务端之前调用过shutdown，所以，执行这个方法时，服务端socket的状态为TCP_FIN_WAIT2。

该方法在调用tcp_send_ack，发送最后一个ack给客户端之后，又调用了tcp_time_wait，使服务端socket进入到TIME_WAIT状态。

// net/ipv4/tcp_minisocks.c
void tcp_time_wait(struct sock *sk, int state, int timeo)
{
        ...
        struct inet_timewait_sock *tw;
        ...
        // tw对应的伪socket的状态会被标识为TIME_WAIT
        tw = inet_twsk_alloc(sk, tcp_death_row, state);


        if (tw) {
                ...
                // 拷贝sk中的各种必要数据到tw
                ...
                // 发起TIME_WAIT计时，计时结束后，从内核移除tw对应的伪socket
                inet_twsk_schedule(tw, timeo);
                // 将tw对应的伪socket加入到内核中，占用对应的地址，不让后续的bind/connect操作使用
                inet_twsk_hashdance(tw, sk, &tcp_hashinfo);
                ...
        } else {
                ...
        }


        ...
        tcp_done(sk);
}
EXPORT_SYMBOL(tcp_time_wait);

由该方法可见，进入TIME_WAIT的socket并不是我们的socket，而是类型为struct inet_timewait_sock的伪socket，这样做的目的应该是为了减少内存消耗。

该方法又调用了tcp_done：

// net/ipv4/tcp.c
void tcp_done(struct sock *sk)
{
        ...
        tcp_set_state(sk, TCP_CLOSE);
        ...
        sk->sk_shutdown = SHUTDOWN_MASK;


        if (!sock_flag(sk, SOCK_DEAD))
                sk->sk_state_change(sk);
        else
                ...
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(tcp_done);

由该方法可见，我们socket的状态最终被设置为了TCP_CLOSE。

再回到上面的inet_shutdown方法，我们可以看到，当socket状态为TCP_CLOSE时，err的错误码会被赋值为ENOTCONN并返回给用户。

ENOTCONN对应的值和描述为：

// include/uapi/asm-generic/errno.h
#define ENOTCONN        107     /* Transport endpoint is not connected */

由上可见看到，该值正好就是我们程序最后输出的值，这也就解释了，为什么我们ctrl-c关闭ncat客户端后，服务端会跳出死循环，并输出shutdown errno为107。

再梳理下整个流程：

1. 当tcp连接建立后，服务端对应的socket满足EPOLLOUT事件，所以epoll会调用我们程序中的handle_events方法。

2. 在handle_events方法中，我们调用了shutdown系统调用。

3. shutdown系统调用内部又调用了sk->sk_state_change方法，告知epoll该socket又有对应对应的事件发生了。

4. 在handle_events方法结束之后，epoll进入下一次循环，检测到该socket又有事件发生，则继续调用handle_events方法。

5. handle_events方法里又调用了shutdown，shutdown方法里又通知epoll该socket有事件发生，就这样，服务端程序进入死循环。

6. 当我们用ctrl-c关闭ncat客户端时，其会发送一个fin包给服务端的socket。

7. 服务端的socket在收到fin包后，新创建一个类型为struct inet_timewait_sock的伪socket，该socket是用来占用原socket的地址，使后续的connect/bind操作无法使用该地址，并在各种工具的输出中显示该socket状态为TIME_WAIT。

8. 之后，原socket的状态会被设置为TCP_CLOSE。

9. 在我们的死循环流程再一次进入到inet_shutdown方法时，由于检测到该socket的状态为TCP_CLOSE，所以会设置该次操作的错误码为ENOTCONN，并返回给用户。

10. 由于该次shutdown操作有错误码返回，我们的程序会输出该错误码，并调用exit使该进程退出。

至此，整个流程就结束了。

由上可见，在epoll的socket处理逻辑部分，如果使用了shutdown方法，就会造成死循环。

那有什么方法可以避免这种死循环吗？

如果我们只是想单纯的关闭socket，其实用close方法就好了，这个是没有问题的，感兴趣的朋友可以将上面代码中的shutdown注释掉，用下面的close方法，运行后你会发现，不会有死循环发生。

原因是什么呢？

// fs/file_table.c
static void __fput(struct file *file)
{
        ...
        eventpoll_release(file);
        ...
}

由上方法可见，在close系统调用执行的过程中，会调用eventpoll_release方法，自动将该socket从epoll注册中移除，所以也就不会出现上面的死循环了。

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