socket的SOREUSEADDR参数全面分析

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在具体分析之前，我们先看下 socket(7) 的 man 文档对这个参数是怎么介绍的：

SO_REUSEADDR
      Indicates that the rules used in validating addresses supplied
      in a bind(2) call should allow reuse of local addresses.  For
      AF_INET sockets this means that a socket may bind, except when
      there is an active listening socket bound to the address.
      When the listening socket is bound to INADDR_ANY with a spe‐
      cific port then it is not possible to bind to this port for
      any local address.  Argument is an integer boolean flag.

从这段文档中我们可以知道三个事：

  1. 使用这个参数后，bind 操作是可以重复使用 local address 的，注意，这里说的是 local address，即 ip 加端口组成的本地地址，也就是说，两个本地地址，如果有任意 ip 或端口部分不一样，它们本身就是可以共存的，不需要使用这个参数。
  2. 当 local address 被一个处于 listen 状态的 socket 使用时，加上该参数也不能重用这个地址。
  3. 当处于 listen 状态的 socket 监听的本地地址的 ip 部分是 INADDR_ANY，即表示监听本地的所有 ip，即使使用这个参数，也不能再 bind 包含这个端口的任意本地地址，这个和 2 中描述的其实是一样的。

好，接下来我们看几个例子。

上文 1 中说，只要本地地址不一样（ip 或端口不一样），即使没有这个参数，两个地址也是可以同时使用的，我们来看下是不是这样。

下面是客户端的测试代码：

#include <arpa/inet.h>
#include <assert.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <strings.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

static int tcp_connect(char *ip, int port) {
  int sfd, err;
  struct sockaddr_in addr;

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

  // 先 bind 本地地址
  bzero(&addr, sizeof(addr));
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
  addr.sin_port = htons(port);

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

  // 再连接目标服务器
  bzero(&addr, sizeof(addr));
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
  addr.sin_port = htons(7777);

  err = connect(sfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
  assert(!err);

  return sfd;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  // bind 本地地址：127.0.0.1:8888
  tcp_connect("127.0.0.1", 8888);

  // bind 本地地址：192.168.3.187:8888
  tcp_connect("192.168.3.187", 8888);

  printf("两个连接同时建立成功 \n");
  sleep(100);
  return 0;
}

该段代码中，会先绑定本地地址，再连接目标服务器，由上可见，两次连接 bind 的本地地址中，ip 部分是不同的，所以这两个 bind 操作应该是成功的。

我们用以下 ncat 命令模拟服务端：

$ ncat -lk4 7777

用 ss 命令查看有关 7777 端口的所有 socket 状态：

$ ss -antp | grep 7777
LISTEN      0        10               0.0.0.0:7777               0.0.0.0:*       users:(("ncat",pid=19208,fd=3))

由上可见，此时只有 ncat 服务端在监听 7777 端口，没有任何其他连接。

我们执行上面的程序，然后再次查看 7777 端口所有 socket 状态：

$ ss -antp | grep 7777
LISTEN      0        10               0.0.0.0:7777               0.0.0.0:*       users:(("ncat",pid=19208,fd=3))
ESTAB       0        0              127.0.0.1:7777         192.168.3.187:8888    users:(("ncat",pid=19208,fd=5))
ESTAB       0        0              127.0.0.1:7777             127.0.0.1:8888    users:(("ncat",pid=19208,fd=4))
ESTAB       0        0          192.168.3.187:8888             127.0.0.1:7777    users:(("a.out",pid=19340,fd=4))
ESTAB       0        0              127.0.0.1:8888             127.0.0.1:7777    users:(("a.out",pid=19340,fd=3))

由上可以看到，这两个连接的确是建立成功了。

上面命令输出中，有 4 个 ESTAB 状态的连接，这是正常的，因为这分别是从服务端角度和客户端的角度得到的输出。

前三行是从服务器角度来看的，后两行是从客户端角度来看的，这个从后面的进程名也可以看出。

对客户端来说，在 connect 之前可以 bind 不同本地地址，然后连同一目标，对服务端来说也是可以的，在 listen 之前，完全可以 bind 不同的本地地址，不需要 SO_REUSEADDR 参数也可以成功，由于程序代码差不多，这里我们就不演示了。

我们下面再来看下 connect 之前，bind 相同地址的情况，下面是测试代码：

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

static int tcp_connect(char *ip, int port) {
  int sfd, err;
  char buf[1024];
  struct sockaddr_in addr;

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

  // 先 bind 本地地址
  bzero(&addr, sizeof(addr));
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
  addr.sin_port = htons(8888);

  err = bind(sfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
  if (err) {sprintf(buf, "bind(%s:%d)", ip, port);
    perror(buf);
    exit(-1);
  }

  // 再连接目标服务器
  bzero(&addr, sizeof(addr));
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
  addr.sin_port = htons(port);

  err = connect(sfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
  assert(!err);

  return sfd;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  // 连接的目标地址：127.0.0.1:7777
  tcp_connect("127.0.0.1", 7777);

  // 连接的目标地址：127.0.0.1:7778
  tcp_connect("127.0.0.1", 7778);

  printf("两个连接同时建立成功 \n");
  sleep(100);
  return 0;
}

该程序会在 connect 之前，bind 本地地址到 127.0.0.1:8888，然后再连接目标地址，两次目标地址分别是 127.0.0.1:7777 和 127.0.0.1:7778。

还是用 ncat 模拟服务端，只是这次要开两个。

服务端 7777：

$ ncat -lk4 7777

服务端 7778：

$ ncat -lk4 7778

运行客户端代码：

$ gcc client.c && ./a.out
bind(127.0.0.1:7778): Address already in use

由上可见，第二次连接是失败了的，因为 127.0.0.1:8888 本地地址已经被第一次 connect 使用过了。

此时，加上 SO_REUSEADDR 参数应该是可以解决这个问题的。

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

static int tcp_connect(char *ip, int port) {
  int sfd, opt, err;
  char buf[1024];
  struct sockaddr_in addr;

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

  // 先设置 SO_REUSEADDR
  opt = 1;
  err = setsockopt(sfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
  assert(!err);

  // 再 bind 本地地址
  bzero(&addr, sizeof(addr));
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
  addr.sin_port = htons(8888);

  err = bind(sfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
  if (err) {sprintf(buf, "bind(%s:%d)", ip, port);
    perror(buf);
    exit(-1);
  }

  // 然后连接目标服务器
  bzero(&addr, sizeof(addr));
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
  addr.sin_port = htons(port);

  err = connect(sfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
  assert(!err);

  return sfd;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  // 连接的目标地址：127.0.0.1:7777
  tcp_connect("127.0.0.1", 7777);

  // 连接的目标地址：127.0.0.1:7778
  tcp_connect("127.0.0.1", 7778);

  printf("两个连接同时建立成功 \n");
  sleep(100);
  return 0;
}

再次编译后执行：

$ gcc client.c && ./a.out
两个连接同时建立成功

由上可以看到，这两次连接都成功了，SO_REUSEADDR 允许我们重复 bind 相同的本地地址。

细心的同学可能会发现，为什么两次连接的目标地址是不同的呢？

我们来把它改成相同的试下:

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

static int tcp_connect(char *ip, int port) {
  int sfd, opt, err;
  char buf[1024];
  struct sockaddr_in addr;

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

  // 先设置 SO_REUSEADDR
  opt = 1;
  err = setsockopt(sfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt));
  assert(!err);

  // 再 bind 本地地址
  bzero(&addr, sizeof(addr));
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
  addr.sin_port = htons(8888);

  err = bind(sfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
  if (err) {sprintf(buf, "bind(%s:%d)", ip, port);
    perror(buf);
    exit(-1);
  }

  // 然后连接目标服务器
  bzero(&addr, sizeof(addr));
  addr.sin_family = AF_INET;
  addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(ip);
  addr.sin_port = htons(port);

  err = connect(sfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
  if (err) {sprintf(buf, "connect(%s:%d)", ip, port);
    perror(buf);
    exit(-1);
  }

  return sfd;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  // 连接的目标地址：127.0.0.1:7777
  tcp_connect("127.0.0.1", 7777);

  // 连接的目标地址：127.0.0.1:7777
  tcp_connect("127.0.0.1", 7777);

  printf("两个连接同时建立成功 \n");
  sleep(100);
  return 0;
}

此时，执行该程序，命令行会有如下输出：

$ gcc client.c && ./a.out
connect(127.0.0.1:7777): Cannot assign requested address

为什么呢？因为这两次连接都是从 127.0.0.1:8888 到 127.0.0.1:7777 的，这个在 tcp 层面是不允许的，即使加了 SO_REUSEADDR 参数也不行。

本地地址和目标地址组成的元组唯一确定一个 tcp 连接，上面程中的两次连接本地地址和目标地址都一样，已经违背了唯一的原则。

对应内核相应检查代码如下：

// net/ipv4/inet_hashtables.c
static int __inet_check_established(struct inet_timewait_death_row *death_row,
                                    struct sock *sk, __u16 lport,
                                    struct inet_timewait_sock **twp)
{
        struct inet_hashinfo *hinfo = death_row->hashinfo;
        struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
        __be32 daddr = inet->inet_rcv_saddr;
        __be32 saddr = inet->inet_daddr;
        ...
        const __portpair ports = INET_COMBINED_PORTS(inet->inet_dport, lport);
        unsigned int hash = inet_ehashfn(net, daddr, lport,
                                         saddr, inet->inet_dport);
        struct inet_ehash_bucket *head = inet_ehash_bucket(hinfo, hash);
        ...
        struct sock *sk2;
        ...
        sk_nulls_for_each(sk2, node, &head->chain) {
                ...
                if (likely(INET_MATCH(sk2, net, acookie,
                                         saddr, daddr, ports, dif, sdif))) {
                        ...
                        goto not_unique;
                }
        }
        ...
not_unique:
        ...
        return -EADDRNOTAVAIL;
}

如果本地地址和目标地址组成的元组之前已经存在了，则返回错误码 EADDRNOTAVAIL，这个错误码对应的解释为：

// include/uapi/asm-generic/errno.h
#define EADDRNOTAVAIL   99      /* Cannot assign requested address */

正好和上面执行程序输出的错误信息一样。

我们再回到对 SO_REUSEADDR 参数的讨论。

上面代码中，两个 connect 使用相同的本地地址，只要加上 SO_REUSEADDR 参数是可以的，那两个 listen 行吗？

看代码：

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

static int tcp_listen(char *ip, int port) {
  int lfd, opt, err;
  char buf[1024];
  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 = inet_addr(ip);
  addr.sin_port = htons(port);

  err = bind(lfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
  if (err) {sprintf(buf, "bind(%s:%d)", ip, port);
    perror(buf);
    exit(-1);
  }

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

  return lfd;
}

int main(int argc, char *argv[]) {tcp_listen("127.0.0.1", 7777);
  tcp_listen("127.0.0.1", 7777);
  return 0;
}

该代码执行之后输出如下：

$ gcc server.c && ./a.out
bind(127.0.0.1:7777): Address already in use

由上可见，即使加上 SO_REUSEADDR 参数，两个 listen 也是不行的。

其实，这个在最开始的 man 文档中已经说过了，只要有 listen 占了一个本地地址，其他任何操作都不能再使用这个地址了。

我们对应看下内核源码：

// net/ipv4/inet_connection_sock.c
static int inet_csk_bind_conflict(const struct sock *sk,
                                  const struct inet_bind_bucket *tb,
                                  bool relax, bool reuseport_ok)
{
        struct sock *sk2;
        bool reuse = sk->sk_reuse;
        ...
        sk_for_each_bound(sk2, &tb->owners) {if (sk != sk2 && ...) {
                        if ((!reuse || !sk2->sk_reuse ||
                            sk2->sk_state == TCP_LISTEN) && ...) {if (inet_rcv_saddr_equal(sk, sk2, true))
                                        break;
                        }
                        ...
                }
        }
        return sk2 != NULL;
}

该方法就是用来判断本地地址是否可以重复使用的代码。

如果该方法最终 sk2 不为 null，则最终会返回错误码 EADDRINUSE 给用户，即我们上面程序执行之后的错误输出。

我们来看下 sk2 什么时候不为 null。

在我们的新 socket 和 sk2 本地地址相同时，如果新 socket 没有设置 SO_REUSEADDR 参数，或者 sk2 没设置 SO_REUSEADDR 参数，或者 sk2 为 listen 状态，sk2 最终都会不为 null，也就是说，新 socket 的本地地址在这些情况下都不可重复使用。

和 man 文档中说的基本是一样的。

那我们在平时写服务器时，为什么要加上这个参数呢？我们都是先关闭服务器，再开的啊，以前那个 listen 的 socket，以及所有当时正在连接的 socket，应该都已经关闭了啊？应该不会存在相同的本地地址了啊？

为什么呢？

这要再说起 tcp 的 TIME_WAIT 状态。

我们知道，在 tcp 连接中，主动发起关闭请求的那一端会最终进入 TIME_WAIT 状态，被动关闭连接的那一端会直接进入 CLOSE 状态，即 socket 和它占用的资源会直接销毁。

假设，在我们关闭服务器之前，先把客户端都关闭掉，再关闭服务器，此时服务器的所有 socket 都直接进入 CLOSE 状态了，它们占用的本地地址等也都立即可用，此时如果我们马上开服务器，是不会出现 Address already in use 这个错误的。

但当我们在有客户端连接的情况下，直接关闭服务器，也就是说，对所有现有的 tcp 连接，服务端都主动发起了关闭请求，此时，这些连接就会进入 TIME_WAIT 状态，一直占用服务器使用的本地地址，不让后续操作使用。

这种情况下，你再开服务器，就会出现上面那个 Address already in use 错误，这也是我们写服务器时经常会遇到的错误。

解决这个问题的方法就是设置 SO_REUSEADDR 参数。

由上面的 inet_csk_bind_conflict 方法可以看到，如果设置了 SO_REUSEADDR 参数，新 socket 和旧 socket 的 reuse 值都会为 true，而旧 socket 此时处于 TIME_WAIT 状态，所以后续不会调用 inet_rcv_saddr_equal 方法，判断两个地址是否相同。

这样最终 sk2 也会为 null，也就是说，内核允许新 socket 使用这个地址。

用代码验证下：

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

static int tcp_listen(char *ip, int port) {
  int lfd, opt, err;
  char buf[1024];
  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 = inet_addr(ip);
  addr.sin_port = htons(port);

  err = bind(lfd, (struct sockaddr *)&addr, sizeof(addr));
  if (err) {sprintf(buf, "bind(%s:%d)", ip, port);
    perror(buf);
    exit(-1);
  }

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

  return lfd;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  int lfd, cfd;

  lfd = tcp_listen("127.0.0.1", 7777);
  printf("5 秒钟之后将关闭第一次 listen 的 socket，请于此期间发起一次 tcp 连接 \n");
  sleep(5);

  cfd = accept(lfd, NULL, NULL);
  assert(cfd != -1);

  close(cfd);
  close(lfd);

  tcp_listen("127.0.0.1", 7777);
  printf("第二次 listen 操作成功 \n");
  return 0;
}

按照程序提示，对服务端发起 tcp 连接，最终服务端输出如下：

$ gcc server.c && ./a.out
5 秒钟之后将关闭第一次 listen 的 socket，请于此期间发起一次 tcp 连接
第二次 listen 操作成功

可见，有了 SO_REUSEADDR 参数，即使我们先关闭的 tcp 连接，也是可以再次 listen 的。

有兴趣的朋友可以把设置 SO_REUSEADDR 参数的代码去掉，然后再执行看下，理论上来说是会报错的。

到此为止，所有有关 SO_REUSEADDR 参数内容都讲完了，希望对大家有所帮助。

完。

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正文完
c socket tcp
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2019-08-07
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