從linux源碼看socket(tcp)的timeout

前言

網絡編程中超時時間是一個重要但又容易被忽略的問題,對其的設置需要仔細斟酌。在經歷了數次物理機宕機之後,筆者詳細的考察了在網絡編程(tcp)中的各種超時設置，於是就有了本篇博文。本文大部分討論的是socket設置為block的情況,即setNonblock(false)，僅在最後提及了nonblock socket(本文基於linux 2.6.32-431內核)。

connectTimeout

在討論connectTimeout之前，讓我們先看下java和C語言對於socket connect調用的函數簽名:

java:
 // 函數調用中攜帶有超時時間
 public void connect(SocketAddress endpoint, int timeout) ;
C語言:
 // 函數調用中並不攜帶超時時間
 int connect(int sockfd, const struct sockaddr * sockaddr, socklen_t socklent) 	 

操作系統提供的connect系統調用並沒有提供timeout的參數設置而java卻有，我們先考察一下原生系統調用的超時策略。

connect系統調用

我們觀察一下此系統調用的kernel源碼，調用棧如下所示:

connect[用戶態]
	|->SYSCALL_DEFINE3(connect)[內核態]
			|->sock->ops->connect

由於我們考察的是tcp的connect,其socket的內部結構如下圖所示:

最終調用的是tcp_connect,代碼如下所示:

int tcp_connect(struct sock *sk) {
	......
	// 發送SYN
	err = tcp_transmit_skb(sk, buff, 1, sk->sk_allocation);
	...
	/* Timer for repeating the SYN until an answer. */
	// 由於是剛建立連接，所以其rto是TCP_TIMEOUT_INIT
	inet_csk_reset_xmit_timer(sk, ICSK_TIME_RETRANS,
				inet_csk(sk)->icsk_rto, TCP_RTO_MAX);
	return 0;	
}

又上面代碼可知，在tcp_connect設置了重傳定時器之後return回了tcp_v4_connect再return到inet_stream_connect。我們繼續考察:

int inet_stream_connect(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr,
			int addr_len, int flags)
{
	......
	// tcp_v4_connect=>tcp_connect
	err = sk->sk_prot->connect(sk, uaddr, addr_len);
	// 這邊用的是sk->sk_sndtimeo
	timeo = sock_sndtimeo(sk, flags & O_NONBLOCK);
	......
	inet_wait_for_connect(sk, timeo));
	......
out:
	release_sock(sk);
	return err;

sock_error:
	err = sock_error(sk) ? : -ECONNABORTED;
	sock->state = SS_UNCONNECTED;
	if (sk->sk_prot->disconnect(sk, flags))
		sock->state = SS_DISCONNECTING;
	goto out
}

由上面代碼可見，可以採用設置SO_SNDTIMEO來控制connect系統調用的超時,如下所示:

setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, &timeout, len);

不設置SO_SNDTIMEO

如果不設置SO_SNDTIMEO,那麼會由tcp重傳定時器在重傳超過設置的時候后超時,如下圖所示:

這個syn重傳的次數由:

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_syn_retries 筆者機器上是5 

來決定。那麼我們就來看一下這個重傳到底是多長時間:

tcp_connect中:
		// 設置的初始超時時間為icsk_rto=TCP_TIMEOUT_INIT為1s
		inet_csk_reset_xmit_timer(sk, ICSK_TIME_RETRANS,
				inet_csk(sk)->icsk_rto, TCP_RTO_MAX);

其重傳定時器的回掉函數為tcp_retransmit_timer:

void tcp_retransmit_timer(struct sock *sk)
{
	......
	// 檢測是否超時
	if (tcp_write_timeout(sk))
		goto out;
	......
	// icsk_rto = icsk_rto * 2,由於syn階段，所以isck_rto不會由於網絡傳輸而改變
	// 重傳的時候會以1,2,4,8指數遞增
	icsk->icsk_rto = min(icsk->icsk_rto << 1, TCP_RTO_MAX);
	// 重設timer
	inet_csk_reset_xmit_timer(sk, ICSK_TIME_RETRANS, icsk->icsk_rto, TCP_RTO_MAX);
out:;		
}

而計算tcp_write_timeout的邏輯則是在這篇blog中已經詳細描述過,

https://my.oschina.net/alchemystar/blog/1936433

只不過在connect時刻，重傳的計算以TCP_TIMEOUT_INIT為單位進行計算。而ESTABLISHED(read/write)時刻，重傳以TCP_RTO_MIN進行計算。那麼根據這段重傳邏輯，我們就可以計算出不同tcp_syn_retries最終表現的超時時間。如下圖所示:

那麼整理下錶格，對於系統調用，connect的超時時間為:

tcp_syn_retries	timeout
1	min(so_sndtimeo,3s)
2	min(so_sndtimeo,7s)
3	min(so_sndtimeo,15s)
4	min(so_sndtimeo,31s)
5	min(so_sndtimeo,63s)

上述超時時間和筆者的實測一致。

kernel代碼版本細微變化

值得注意的是，linux本身官方發布的2.6.32源碼對於tcp_syn_retries2的解釋和RFC並不一致(至少筆者閱讀的代碼如此，這個細微的變化困擾了筆者好久，筆者下載了和機器對應的內核版本后才發現代碼改了)。而redhat發布的2.6.32-431已經修復了這個問題(不清楚具體哪個小版本修改的)，並將初始RTO設置為1s(官方2.6.32為3s)。這也是，不同內核小版本上的實驗會有不同的connect timeout表現的原因(有的抓包到的重傳SYN時間間隔為3,6,12……)。以下為代碼對比:

========================>linux 內核版本2.6.32-431<========================
#define TCP_TIMEOUT_INIT ((unsigned)(1*HZ))	/* RFC2988bis initial RTO value	*/

static inline bool retransmits_timed_out(struct sock *sk,
					 unsigned int boundary,
					 unsigned int timeout,
					 bool syn_set)
{
	......
	unsigned int rto_base = syn_set ? TCP_TIMEOUT_INIT : TCP_RTO_MIN;
	......
	timeout = ((2 << boundary) - 1) * rto_base;
	......

}
========================>linux 內核版本2.6.32.63<========================
#define TCP_TIMEOUT_INIT ((unsigned)(3*HZ))	/* RFC 1122 initial RTO value	*/

static inline bool retransmits_timed_out(struct sock *sk,
					 unsigned int boundary
{
	......
	timeout = ((2 << boundary) - 1) * TCP_RTO_MIN;
	......
}

另外，tcp_syn_retries重傳次數可以在單個socket中通過setsockopt設置。

JAVA connect API

現在我們考察下java的connect api,其connect最終調用下面的代碼:

Java_java_net_PlainSocketImpl_socketConnect(...){

    if (timeout <= 0) {
    	 ......
        connect_rv = NET_Connect(fd, (struct sockaddr *)&him, len);
    	 .....
    }else{
    	 // 如果timeout > 0 ，則設置為nonblock模式
        SET_NONBLOCKING(fd);
        /* no need to use NET_Connect as non-blocking */
        connect_rv = connect(fd, (struct sockaddr *)&him, len);
        /*
         * 這邊用系統調用select來模擬阻塞調用超時
         */
        while (1) {
            ......
            struct timeval t;
            t.tv_sec = timeout / 1000;
            t.tv_usec = (timeout % 1000) * 1000;
            connect_rv = NET_Select(fd+1, 0, &wr, &ex, &t);
            ......
        }
        ......
        // 重新設置為阻塞模式
        SET_BLOCKING(fd);
        ......
    }
}

其和connect系統調用的不同點是，在timeout為0的時候，走默認的系統調用不設置超時時間的邏輯。在timeout>0時，將socket設置為非阻塞，然後用select系統調用去模擬超時,而沒有走linux本身的超時邏輯，如下圖所示:

由於沒有java並沒有設置so_sndtimeo的選項，所以在timeout為0的時候，直接就通過重傳次數來控制超時時間。而在調用connect時設置了timeout(不為0)的時候,超時時間如下錶格所示:

tcp_syn_retries	timeout
1	min(timeout,3s)
2	min(timeout,7s)
3	min(timeout,15s)
4	min(timeout,31s)
5	min(timeout,63s)

socketTimeout

write系統調用的超時時間

socket的write系統調用最後調用的是tcp_sendmsg,源碼如下所示:

int tcp_sendmsg(struct kiocb *iocb, struct socket *sock, struct msghdr *msg,
		size_t size){
	......
	timeo = sock_sndtimeo(sk, flags & MSG_DONTWAIT);
	......
	while (--iovlen >= 0) {
		......
		// 此種情況是buffer不夠了
		if (copy <= 0) {
	new_segment:
		  ......
		  if (!sk_stream_memory_free(sk))
			  goto wait_for_sndbuf;

		  skb = sk_stream_alloc_skb(sk, select_size(sk),sk->sk_allocation);
		  if (!skb)
			  goto wait_for_memory;
		}
		......
	}
	......
	// 這邊等待write buffer有空間
wait_for_sndbuf:
		set_bit(SOCK_NOSPACE, &sk->sk_socket->flags);
wait_for_memory:
		if (copied)
			tcp_push(sk, flags & ~MSG_MORE, mss_now, TCP_NAGLE_PUSH);
			// 這邊等待timeo長的時間
		if ((err = sk_stream_wait_memory(sk, &timeo)) != 0)
			goto do_error;
		......
out:
	// 如果拷貝了數據，則返回
	if (copied)
		tcp_push(sk, flags, mss_now, tp->nonagle);
	TCP_CHECK_TIMER(sk);
	release_sock(sk);
	return copied;		
out_err:
	// error的處理
	err = sk_stream_error(sk, flags, err);
	TCP_CHECK_TIMER(sk);
	release_sock(sk);
	return err;		
}

從上面的內核代碼看出，如果socket的write buffer依舊有空間的時候，會立馬返回，並不會有timeout。但是write buffer不夠的時候，會等待SO_SNDTIMEO的時間(nonblock時候為0)。但是如果SO_SNDTIMEO沒有設置的時候,默認初始化為MAX_SCHEDULE_TIMEOUT,可以認為其超時時間為無限。那麼其超時時間會有另一個條件來決定，我們看下sk_stream_wait_memory的源碼:

int sk_stream_wait_memory(struct sock *sk, long *timeo_p){
		// 等待socket shutdown或者socket出現err
		sk_wait_event(sk, &current_timeo, sk->sk_err ||
						  (sk->sk_shutdown & SEND_SHUTDOWN) ||
						  (sk_stream_memory_free(sk) &&
						  !vm_wait));
}						 

在write等待的時候，如果出現socket被shutdown或者socket出現錯誤的時候，則會跳出wait進而返回錯誤。在不考慮對端shutdown的情況下,出現sk_err的時間其實就是其write的timeout時間,那麼我們看下什麼時候出現sk->sk_err。

SO_SNDTIMEO不設置,write buffer滿之後ack一直不返回的情況(例如，物理機宕機)

物理機宕機后，tcp發送msg的時候,ack不會返回，則會在重傳定時器tcp_retransmit_timer到期后timeout,其重傳到期時間通過tcp_retries2以及TCP_RTO_MIN計算出來。其源碼可見筆者的blog:

https://my.oschina.net/alchemystar/blog/1936433

tcp_retries2的設置位置為:

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2 筆者機器上是5,默認是15

SO_SNDTIMEO不設置,write buffer滿之後對端不消費，導致buffer一直滿的情況

和上面ack超時有些許不一樣的是，一個邏輯是用TCP_RTO_MIN通過tcp_retries2計算出來的時間。另一個是真的通過重傳超過tcp_retries2次數來time_out，兩者的區別和rto的動態計算有關。但是可以大致認為是一致的。

上述邏輯如下圖所示:

write_timeout表格

tcp_retries2	buffer未滿	buffer滿
5	立即返回	min(SO_SNDTIMEO,(25.6s-51.2s)根據動態rto定
15	立即返回	min(SO_SNDTIMEO,(924.6s-1044.6s)根據動態rto定

java的SocketOutputStream的sockWrite0超時時間

java的sockWrite0沒有設置超時時間的地方，同時也沒有設置過SO_SNDTIMEOUT，其直接調用了系統調用,所以其超時時間和write系統調用保持一致。

readTimeout

ReadTimeout可能是最容易導致問題的地方。我們先看下系統調用的源碼:

read系統調用

socket的read系統調用最終調用的是tcp_recvmsg, 其源碼如下:

int tcp_recvmsg(struct kiocb *iocb, struct sock *sk, struct msghdr *msg,
		size_t len, int nonblock, int flags, int *addr_len)
{
	......
	// 這邊timeo=SO_RCVTIMEO
	timeo = sock_rcvtimeo(sk, nonblock);
	......
	do{
		......
		// 下面這一堆判斷表明，如果出現錯誤,或者已經被CLOSE/SHUTDOWN則跳出循環
		if(copied) {
			if (sk->sk_err ||
			    sk->sk_state == TCP_CLOSE ||
			    (sk->sk_shutdown & RCV_SHUTDOWN) ||
			    !timeo ||
			    signal_pending(current))
				break;
		} else {
			if (sock_flag(sk, SOCK_DONE))
				break;

			if (sk->sk_err) {
				copied = sock_error(sk);
				break;
			}
			// 如果socket shudown跳出
			if (sk->sk_shutdown & RCV_SHUTDOWN)
				break;
			// 如果socket close跳出
			if (sk->sk_state == TCP_CLOSE) {
				if (!sock_flag(sk, SOCK_DONE)) {
					/* This occurs when user tries to read
					 * from never connected socket.
					 */
					copied = -ENOTCONN;
					break;
				}
				break;
			}
			.......
		}
		.......

		if (copied >= target) {
			/* Do not sleep, just process backlog. */
			release_sock(sk);
			lock_sock(sk);
		} else /* 如果沒有讀到target自己數(和水位有關,可以暫認為是1)，則等待SO_RCVTIMEO的時間 */
			sk_wait_data(sk, &timeo);	
	} while (len > 0);
	......
}

上面的邏輯如下圖所示:

重傳以及探測定時器timeout事件的觸發時機如下圖所示:

如果內核層面ack正常返回而且對端窗口不為0，僅僅應用層不返回任何數據,那麼就會無限等待，直到對端有數據或者socket close/shutdown為止，如下圖所示:

很多應用就是基於這個無限超時來設計的,例如activemq的消費者邏輯。

java的SocketInputStream的sockRead0超時時間

java的超時時間由SO_TIMOUT決定，而linux的socket並沒有這個選項。其sockRead0和上面的java connect一樣，在SO_TIMEOUT>0的時候依舊是由nonblock socket模擬,在此就不再贅述了。

ReadTimeout超時表格

C系統調用:

tcp_retries2	對端無響應	對端內核響應正常
5	min(SO_RCVTIMEO,(25.6s-51.2s)根據動態rto定	SO_RCVTIMEO==0?無限,SO_RCVTIMEO)
15	min(SO_RCVTIMEO,(924.6s-1044.6s)根據動態rto定	SO_RCVTIMEO==0?無限,SO_RCVTIMEO)

Java系統調用

tcp_retries2	對端無響應	對端內核響應正常
5	min(SO_TIMEOUT,(25.6s-51.2s)根據動態rto定	SO_TIMEOUT==0?無限,SO_RCVTIMEO
15	min(SO_TIMEOUT,(924.6s-1044.6s)根據動態rto定	SO_TIMEOUT==0?無限,SO_RCVTIMEO

對端物理機宕機之後的timeout

對端物理機宕機后還依舊有數據發送

對端物理機宕機時對端內核也gg了(不會發出任何包通知宕機)，那麼本端發送任何數據給對端都不會有響應。其超時時間就由上面討論的
min(設置的socket超時[例如SO_TIMEOUT],內核內部的定時器超時來決定)。

對端物理機宕機后沒有數據發送，但在read等待

這時候如果設置了超時時間timeout，則在timeout后返回。但是，如果僅僅是在read等待，由於底層沒有數據交互，那麼其無法知道對端是否宕機，所以會一直等待。但是，內核會在一個socket兩個小時都沒有數據交互情況下(可設置)啟動keepalive定時器來探測對端的socket。如下圖所示:

大概是2小時11分鐘之後會超時返回。keepalive的設置由內核參數指定：

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time 7200 即兩個小時后開始探測
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_intvl 75 即每次探測間隔為75s
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalve_probes 9 即一共探測9次

可以在setsockops中對單獨的socket指定是否啟用keepalive定時器(java也可以)。

對端物理機宕機后沒有數據發送，也沒有read等待

和上面同理，也是在keepalive定時器超時之後，將連接close。所以我們可以看到一個不活躍的socket在對端物理機突然宕機之後,依舊是ESTABLISHED狀態，過很長一段時間之後才會關閉。

進程宕后的超時

如果僅僅是對端進程宕機的話(進程所在內核會close其所擁有的所有socket)，由於fin包的發送，本端內核可以立刻知道當前socket的狀態。如果socket是阻塞的，那麼將會在當前或者下一次write/read系統調用的時候返回給應用層相應的錯誤。如果是nonblock，那麼會在select/epoll中觸發出對應的事件通知應用層去處理。
如果fin包沒發送到對端，那麼在下一次write/read的時候內核會發送reset包作為回應。

nonblock

設置為nonblock=true后，由於read/write都是立刻返回，且通過select/epoll等處理重傳超時/probe超時/keep alive超時/socket close等事件，所以根據應用層代碼決定其超時特性。定時器超時事件發生的時間如上面幾小節所述，和是否nonblock無關。nonblock的編程模式可以讓應用層對這些事件做出響應。

總結

網絡編程中超時時間是個重要但又容易被忽略的問題，這個問題只有在遇到物理機宕機等平時遇不到的現象時候才會凸顯。筆者在經曆數次物理機宕機之後才好好的研究了一番，希望本篇文章可以對讀者在以後遇到類似超時問題時有所幫助。

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