「Linux 网络编程」基于 TCP 的半关闭

1 基于 TCP 的半关闭

TCP 具有核心特性——全双工通信（即通信双方可同时双向传输数据）。半关闭是 TCP 为适配 单向数据传输完成后需保留反向通道 场景设计的机制，本质是 仅关闭连接的一个方向（发送或接收），保留另一个方向的通信能力，而非完全断开连接。

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1.1 半关闭的核心逻辑

TCP 默认的 完全关闭（通过四次挥手完成）会断开双向通道，但实际场景中常需 单向传输结束后，反向仍需传数据。

例如，客户端向服务器发送完文件（客户端→服务器的发送已完成），但服务器需向客户端返回 文件接收成功/失败 的确认信息（服务器→客户端的接收需保留）。此时若直接完全关闭，确认信息将无法传输 —— 半关闭恰好解决了“单向收尾、反向保留”的需求。

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1.2 半关闭的实现

TCP 的连接关闭依赖 FIN报文（Finish，标识 此方向无更多数据要发送），半关闭的本质是 通信一方主动发送FIN报文关闭发送端，但保留接收端，另一方通过 ACK 确认后，完成单方向的关闭；反向通道仍可正常传输数据，直到另一方也发送 FIN 报文，才完成全关闭。

结合 TCP 的 四次挥手 过程，半关闭对应前两次挥手的核心阶段，即 半关闭状态 = 第一次挥手 + 第二次挥手。

当主动关闭方调用 shutdown(SHUT_WR)（半关闭核心系统调用函数） 时：

1. 第一次挥手：发送 FIN 报文

   表示"我没有数据要发送了"，但还可以接收数据。主动关闭方进入 FIN_WAIT_1 状态。

2. 第二次挥手：接收对方的 ACK 响应

   对端确认收到 FIN，主动关闭方进入 FIN_WAIT_2 状态。此时连接处于半关闭状态。

在代码中的体现：

// 客户端执行半关闭
printf("Calling shutdown(SHUT_WR)...\n");
shutdown(sock, SHUT_WR);  // 触发第一次挥手

// 此时：
// - 客户端不能再发送数据 (SHUT_WR)
// - 但可以继续接收服务器发送的数据
// - 连接处于半关闭状态

// 服务器检测到FIN后：
// - 服务器知道客户端不再发送数据
// - 但服务器仍可以继续向客户端发送数据
// - 服务器发送ACK确认（第二次挥手）

// 客户端可以继续接收数据
recv(sock, buffer, BUFFER_SIZE, 0);  // 在半关闭状态下仍然可以接收

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2 半关闭核心调用 shutdown

2.1 函数原型及参数说明

#include <sys/socket.h>

int shutdown(int sockfd, int how);

参数说明：

• sockfd

  • 要关闭的套接字文件描述符
  • 必须是已连接的套接字

• how

  指定关闭的方式，有三种选择：

  参数值	说明
  SHUT_RD (0)	关闭读通道，不再接收数据
  SHUT_WR (1)	关闭写通道，不再发送数据
  SHUT_RDWR (2)	同时关闭读写通道

返回值：

• 成功：返回 0
• 失败：返回 -1，并设置 errno

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2.2 功能详解

1. SHUT_RD - 关闭读通道

   shutdown(sockfd, SHUT_RD);

   效果：

   • 套接字不能再接收数据
   • 接收缓冲区中的现有数据会被丢弃
   • 后续的 recv(), read() 调用返回 0（EOF）
   • 对端如果发送数据，会收到 RST 复位包

2. SHUT_WR - 关闭写通道（最常用）

   shutdown(sockfd, SHUT_WR);

   效果：

   • 套接字不能再发送数据
   • 发送缓冲区中未发送的数据会继续发送
   • 发送 FIN 包给对端，触发 TCP 四次挥手的前两次
   • 进入半关闭状态，仍然可以接收数据

3. SHUT_RDWR - 同时关闭读写

   shutdown(sockfd, SHUT_RDWR);

   效果：

   • 结合了 SHUT_RD 和 SHUT_WR 的效果
   • 不能发送也不能接收数据
   • 但连接还没有完全关闭，需要调用 close()

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2.3 与 close() 的关键区别

方面	shutdown()	close()
关闭粒度	可以 单独控制读/写方向	总是关闭整个套接字
连接状态	连接仍然存在，可以 半关闭	连接完全终止
多进程影响	影响所有进程中的该连接	只影响当前进程的文件描述符
引用计数	不减少文件描述符引用计数	减少引用计数，为 0 时真正关闭
TCP行为	发送 FIN 包，进入半关闭状态	发送 FIN 包，完全关闭连接

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3 半关闭简单 TCP 本地通信示例

3.1 服务端代码

// server_shutdown.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define PORT 8080
#define BUF_SIZE 1024
#define BACKLOG 5

int main() {
    int server_fd; 
    struct sockaddr_in server_addr;
    int client_fd;
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);

    // 1. 创建 server socket
    if ((server_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 设置套接字选项，避免地址占用错误
    int opt = 1;
    if (setsockopt(server_fd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &opt, sizeof(opt))) {
        perror("setsockopt failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 2. 配置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);
    server_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

    // 3. 绑定地址
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("bind failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 4. 设置监听上限
    if (listen(server_fd, BACKLOG) < 0) {
        perror("listen failed");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("TCP Echo Server started on port %d\n", PORT);
    printf("Server is listening for connections...\n");

    // 5. 接受和处理客户端连接,同时获取到客户端地址信息
    client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
    if (client_fd < 0) {
        perror("accept failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Client connected\n");

    char client_ip[INET_ADDRSTRLEN];
    inet_ntop(AF_INET, &client_addr.sin_addr, client_ip, sizeof(client_ip));
    printf("Handling client %s:%d\n", client_ip, ntohs(client_addr.sin_port));

    // 接受客户端数据,发送响应
    char buffer[BUF_SIZE];
    memset(buffer, 0, BUF_SIZE);

    ssize_t recv_len = 0;
    while ((recv_len = recv(client_fd, buffer, BUF_SIZE, 0)) > 0) {
        printf("Received from %s: %s", client_ip, buffer);

        // 发送响应
        char *response = "Message received by server\n";
        send(client_fd, response, strlen(response), 0);

        memset(buffer, 0, BUF_SIZE);
    }

    if (recv_len == 0) {
        printf("Client disconnected\n");
    } else {
        perror("recv");
    }
    
    // 6. 关闭套接字
    close(client_fd);
    close(server_fd);

    return 0;
}

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3.2 客户端代码

// client_shutdown.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/socket.h>

#define SERVER_IP "127.0.0.1"
#define PORT 8080
#define BUF_SIZE 1024

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;

    // 1. 创建客户端 socket
    if ((sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 2. 配置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(PORT);

    // 将字符串IP转换为二进制格式
    if (inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &server_addr.sin_addr) <= 0) {
        perror("invalid address");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 3. 连接服务器
    printf("Connecting to server %s:%d...\n", SERVER_IP, PORT);
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        perror("connect failed");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Connected to server successfully!\n");

    // 4. 发送数据到服务器
    char* message = "Hello Server, this is Marisa.\n";
    ssize_t send_len = send(sockfd, message, strlen(message), 0);
    if (send_len < 0) {
        perror("send failed");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    printf("Message sent\n");

    // * 使用 shutdown 关闭写端，但仍然可以接收服务端回显的数据
    printf("Calling shutdown(SHUT_WR)...\n");
    if (shutdown(sockfd, SHUT_WR) == 0) {
        printf("Write side shutdown, but can still receive server data\n");
    }
    // 如果此处使用 close，读写端都被关闭，因此无法接收后续服务器的响应

    // 5. 接收服务器的响应
    char buffer[BUF_SIZE];
    memset(buffer, 0, BUF_SIZE);
    ssize_t recv_len = 0;
    if ((recv_len = recv(sockfd, buffer, BUF_SIZE, 0)) > 0) {
        printf("Server response: %s", buffer);
    }

    close(sockfd);
    printf("Connection closed. Goodbye!\n");

    return 0;
}

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3.3 编译和运行测试

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4 半关闭的典型适用场景

1. HTTP/1.0 的短连接

   HTTP/1.0 默认使用“短连接”，客户端发送请求后，通过 Connection: close 头告知服务器“请求已发送完成”；服务器返回响应后，会主动发送FIN报文关闭 “服务器→客户端” 的发送端（半关闭），客户端接收响应后再发送 FIN，完成全关闭。

2. 文件传输协议（如FTP的数据连接）

   FTP的数据连接用于传输文件：客户端向服务器发送“下载请求”后，关闭自己的数据连接发送端（半关闭），仅保留接收端用于接收文件；服务器传输完文件后，发送FIN关闭自己的发送端，完成全关闭。

3. 双向数据流的“单向收尾”

   例如，即时通讯中，用户A向用户B发送“结束对话”的消息后，关闭自己的发送端（不再发消息），但保留接收端以接收用户B的最后回复；用户B回复后，再关闭自己的发送端，最终断开连接。