TCP四次挥手的必要性和它背后的逻辑_tcp为什么要四次挥手

一、TCP四次挥手的通俗解释

首先，要明白TCP连接是一个全双工的通信，这意味着数据可以同时在两个方向上流动。当两个应用程序（比如一个是客户端，一个是服务器）完成数据交换后，他们需要通过一套规则来确保双方都同意关闭连接，这个过程就是所谓的“四次挥手”。

挥手的步骤

1. 客户端发送结束信号：当客户端的应用程序决定不再发送数据时，它会发送一个FIN包，这可以看作是一个“结束信号”，告诉服务器它的数据已经全部发送完毕，不会再有新的数据发送了。但是，此时客户端仍然可以接收来自服务器的数据。

2. 服务器确认收到结束信号：服务器收到这个结束信号后，需要确认这个信号，所以它回送一个ACK包。此时，从客户端到服务器这条线路就标记为关闭了，但服务器如果还有数据要发送，可以继续发送。

3. 服务器发送结束信号：等服务器也准备好关闭连接，也就是说它的数据也发送完了，它会发送自己的FIN包，这是告诉客户端，它的数据也已经发送完毕，希望关闭连接。

4. 客户端确认收到结束信号：客户端收到服务器的FIN包后，也需要发送一个ACK包来确认收到了服务器的结束信号。之后，客户端会等待足够的时间以确保服务器接收到这个ACK包。

二、为什么需要这四次挥手？

• 全双工通信的终止：TCP连接允许双向数据传输，因此每个方向的终止都需要单独处理。这就是为什么不能通过一次挥手即关闭双向通道的原因。

• 数据传输完整性：在发送完最后一个数据包后，连接的一方使用FIN（Finish）标志发起连接的关闭。然而，仅仅因为一方完成了数据发送并不意味着另一方也没有数据要发送。因此，双方都必须独立地发起并确认连接的终止。

• 防止旧连接的数据包干扰新连接：TCP连接由IP地址和端口号对定义。四次挥手确保连接正确关闭，防止未来创建的同一端口上的新连接收到属于旧连接的迟到的数据包。

三、C++程序员的实际操作

作为C++程序员，你可能会使用C++标准库中的socket编程接口，或者操作系统提供的原生API来管理TCP连接。当你调用close()或shutdown()函数时，操作系统会帮你处理背后的TCP挥手过程。不过，了解这个过程仍然重要，因为这可以帮助你更好地理解和处理网络程序中可能出现的问题，比如：

• 延迟关闭问题：如果不正确地管理连接关闭，可能导致资源（如端口和内存）不能及时释放。
• 异常断开：理解TCP四次挥手可以帮助你设计出更健壮的错误处理逻辑，以应对网络异常断开的情况。

在C++中处理TCP连接时，正确管理连接的开启与关闭是非常重要的。这涉及到使用socket编程来直接控制TCP连接，包括连接的初始化、数据传输、以及连接的终止。下面我详细探讨C++程序员如何在实际操作中处理TCP连接的关闭，也就是如何实施TCP的四次挥手过程。

1. 创建和使用Socket

首先，需要使用C++标准库（如 <sys/socket.h> 或 <winsock2.h>）中的函数创建和配置socket。创建socket后，可以通过connect()函数（对于客户端）或accept()函数（对于服务器）建立TCP连接。

#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <unistd.h>

int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {
    perror("Socket creation failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

struct sockaddr_in serv_addr;
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(12345);
serv_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;

if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serv_addr, sizeof(serv_addr)) < 0) {
    perror("Connection Failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
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2. 关闭连接

在C++中，当决定关闭socket连接时，可以调用close()或shutdown()函数。这两个函数在用法上略有差异：

• close()：关闭socket的文件描述符，如果这是最后一个活跃的引用，连接将被完全关闭。这通常会触发TCP的四次挥手过程开始。
• shutdown()：允许更精细地控制关闭过程。可以指定是关闭读操作、写操作，还是同时关闭读写操作。例如，shutdown(sockfd, SHUT_WR); 表示关闭写操作，这将发送一个FIN包给对方，开始四次挥手过程的第一步。

shutdown(sockfd, SHUT_WR); // 发送FIN包，终止写操作

char buffer[1024];
while (read(sockfd, buffer, sizeof(buffer)) > 0) {
    // 处理接收到的所有剩余数据
}

close(sockfd); // 关闭socket
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3. 管理TIME_WAIT状态

在TCP四次挥手过程中，主动关闭连接的一方会进入TIME_WAIT状态。这个状态会持续大约2倍的最大报文段生存时间（MSL）。TIME_WAIT状态的存在是为了确保对方收到最后的ACK包。如果在开发高性能的服务器时，频繁地开启和关闭连接，TIME_WAIT状态可能导致端口资源被耗尽。

为了解决这个问题，可以设置socket选项SO_REUSEADDR，这可以让端口在上一个连接处于TIME_WAIT状态时被重用。

int yes = 1;
if (setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &yes, sizeof(yes)) == -1) {
    perror("setsockopt failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}
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结论

作为C++程序员，了解并正确使用close()、shutdown()，以及如何处理TIME_WAIT状态是确保TCP连接正确管理的关键。这不仅有助于提高应用程序的性能和稳定性，也有助于防止资源泄漏和其他常见的网络编程问题。通过实际操作这些步骤，你将能够更有效地控制TCP连接的生命周期。

通过对这些底层细节的理解，可以写出更高效、更可靠的网络通信代码。