15 | 怎么老是出现“地址已经被使用”？

你好，我是盛延敏，这里是网络编程实战的第15讲，欢迎回来。

上一讲我们讲到UDP也可以像TCP一样，使用connect方法，以快速获取异步错误的信息。在今天的内容里，我们将讨论服务器端程序重启时，地址被占用的原因和解决方法。

我们已经知道，网络编程中，服务器程序需要绑定本地地址和一个端口，然后就监听在这个地址和端口上，等待客户端连接的到来。在实战中，你可能会经常碰到一个问题，当服务器端程序重启之后，总是碰到“Address in use”的报错信息，服务器程序不能很快地重启。那么这个问题是如何产生的？我们又该如何避免呢？

今天我们就来讲一讲这个“地址已经被使用”的问题。

从例子开始

为了引入讨论，我们从之前讲过的一个TCP服务器端程序开始说起：

static int count;
    
    static void sig_int(int signo) {
        printf("\nreceived %d datagrams\n", count);
        exit(0);
    }
    
    int main(int argc, char **argv) {
        int listenfd;
        listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
        struct sockaddr_in server_addr;
        bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
        server_addr.sin_family = AF_INET;
        server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
        server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    
        int rt1 = bind(listenfd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));
        if (rt1 < 0) {
            error(1, errno, "bind failed ");
        }
    
        int rt2 = listen(listenfd, LISTENQ);
        if (rt2 < 0) {
            error(1, errno, "listen failed ");
        }
    
        signal(SIGPIPE, SIG_IGN);
    
        int connfd;
        struct sockaddr_in client_addr;
        socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    
        if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_len)) < 0) {
            error(1, errno, "bind failed ");
        }
    
        char message[MAXLINE];
        count = 0;
    
        for (;;) {
            int n = read(connfd, message, MAXLINE);
            if (n < 0) {
                error(1, errno, "error read");
            } else if (n == 0) {
                error(1, 0, "client closed \n");
            }
            message[n] = 0;
            printf("received %d bytes: %s\n", n, message);
            count++;
        }
    }

这个服务器端程序绑定到一个本地端口，使用的是通配地址ANY，当连接建立之后，从该连接中读取输入的字符流。

启动服务器，之后我们使用Telnet登录这个服务器，并在屏幕上输入一些字符，例如：network，good。

和我们期望的一样，服务器端打印出Telnet客户端的输入。在Telnet端关闭连接之后，服务器端接收到EOF，也顺利地关闭了连接。服务器端也可以很快重启，等待新的连接到来。

$./addressused 
     received 9 bytes: network
     received 6 bytes: good
     client closed
     $./addressused

接下来，我们改变一下连接的关闭顺序。和前面的过程一样，先启动服务器，再使用Telnet作为客户端登录到服务器，在屏幕上输入一些字符。注意接下来的不同，我不会在Telnet端关闭连接，而是直接使用Ctrl+C的方式在服务器端关闭连接。

$telneet 127.0.0.1 9527
    network
    bad
    Connection closed by foreign host.

我们看到，连接已经被关闭，Telnet客户端也感知连接关闭并退出了。接下来，我们尝试重启服务器端程序。你会发现，这个时候服务端程序重启失败，报错信息为：bind failed: Address already in use。

$./addressused 
     received 9 bytes: network
     received 6 bytes: good
     client closed
     $./addressused
     bind faied: Address already in use(98)

复习TIME_WAIT

那么，这个错误到底是怎么发生的呢？

还记得第10篇文章里提到的TIME_WAIT么？当连接的一方主动关闭连接，在接收到对端的FIN报文之后，主动关闭连接的一方会在TIME_WAIT这个状态里停留一段时间，这个时间大约为2MSL。如果你对此有点淡忘，没有关系，我在下面放了一张图，希望会唤起你的记忆。

如果我们此时使用netstat去查看服务器程序所在主机的TIME_WAIT的状态连接，你会发现有一个服务器程序生成的TCP连接，当前正处于TIME_WAIT状态。这里9527是本地监听端口，36650是telnet客户端端口。当然了，Telnet客户端端口每次也会不尽相同。

通过服务器端发起的关闭连接操作，引起了一个已有的TCP连接处于TME_WAIT状态，正是这个TIME_WAIT的连接，使得服务器重启时，继续绑定在127.0.0.1地址和9527端口上的操作，返回了Address already in use的错误。

重用套接字选项

我们知道，一个TCP连接是通过四元组（源地址、源端口、目的地址、目的端口）来唯一确定的，如果每次Telnet客户端使用的本地端口都不同，就不会和已有的四元组冲突，也就不会有TIME_WAIT的新旧连接化身冲突的问题。

事实上，即使在很小的概率下，客户端Telnet使用了相同的端口，从而造成了新连接和旧连接的四元组相同，在现代Linux操作系统下，也不会有什么大的问题，原因是现代Linux操作系统对此进行了一些优化。

第一种优化是新连接SYN告知的初始序列号，一定比TIME_WAIT老连接的末序列号大，这样通过序列号就可以区别出新老连接。

第二种优化是开启了tcp_timestamps，使得新连接的时间戳比老连接的时间戳大，这样通过时间戳也可以区别出新老连接。

在这样的优化之下，一个TIME_WAIT的TCP连接可以忽略掉旧连接，重新被新的连接所使用。

这就是重用套接字选项，通过给套接字配置可重用属性，告诉操作系统内核，这样的TCP连接完全可以复用TIME_WAIT状态的连接。代码片段已经放在文章中了：

int on = 1;
    setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on));

SO_REUSEADDR套接字选项，允许启动绑定在一个端口，即使之前存在一个和该端口一样的连接。前面的例子已经表明，在默认情况下，服务器端历经创建socket、bind和listen重启时，如果试图绑定到一个现有连接上的端口，bind操作会失败，但是如果我们在创建socket和bind之间，使用上面的代码片段设置SO_REUSEADDR套接字选项，情况就会不同。

下面我们对原来的服务器端代码进行升级，升级的部分主要在11-12行，在bind监听套接字之前，调用setsockopt方法，设置重用套接字选项：

int main(int argc, char **argv) {
        int listenfd;
        listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    
        struct sockaddr_in server_addr;
        bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
        server_addr.sin_family = AF_INET;
        server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
        server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    
        int on = 1;
        setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on));
    
        int rt1 = bind(listenfd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));
        if (rt1 < 0) {
            error(1, errno, "bind failed ");
        }
    
        int rt2 = listen(listenfd, LISTENQ);
        if (rt2 < 0) {
            error(1, errno, "listen failed ");
        }
    
        signal(SIGPIPE, SIG_IGN);
    
        int connfd;
        struct sockaddr_in client_addr;
        socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    
        if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_len)) < 0) {
            error(1, errno, "bind failed ");
        }
    
        char message[MAXLINE];
        count = 0;
    
        for (;;) {
            int n = read(connfd, message, MAXLINE);
            if (n < 0) {
                error(1, errno, "error read");
            } else if (n == 0) {
                error(1, 0, "client closed \n");
            }
            message[n] = 0;
            printf("received %d bytes: %s\n", n, message);
            count++;
        }
    }

重新编译过后，重复上面那个例子，先启动服务器，再使用Telnet作为客户端登录到服务器，在屏幕上输入一些字符，使用Ctrl+C的方式在服务器端关闭连接。马上尝试重启服务器，这个时候我们发现，服务器正常启动，没有出现Address already in use的错误。这说明我们的修改已经起作用。

$./addressused2 
     received 9 bytes: network
     received 6 bytes: good
     client closed
     $./addressused2

SO_REUSEADDR套接字选项还有一个作用，那就是本机服务器如果有多个地址，可以在不同地址上使用相同的端口提供服务。

比如，一台服务器有192.168.1.101和10.10.2.102连个地址，我们可以在这台机器上启动三个不同的HTTP服务，第一个以本地通配地址ANY和端口80启动；第二个以192.168.101和端口80启动；第三个以10.10.2.102和端口80启动。

这样目的地址为192.168.101，目的端口为80的连接请求会被发往第二个服务；目的地址为10.10.2.102，目的端口为80的连接请求会被发往第三个服务；目的端口为80的所有其他连接请求被发往第一个服务。

我们必须给这三个服务设置SO_REUSEADDR套接字选项，否则第二个和第三个服务调用bind绑定到80端口时会出错。

最佳实践

这里的最佳实践可以总结成一句话：服务器端程序，都应该设置SO_REUSEADDR套接字选项，以便服务端程序可以在极短时间内复用同一个端口启动。

有些人可能觉得这不是安全的。其实，单独重用一个套接字不会有任何问题。我在前面已经讲过，TCP连接是通过四元组唯一区分的，只要客户端不使用相同的源端口，连接服务器是没有问题的，即使使用了相同的端口，根据序列号或者时间戳，也是可以区分出新旧连接的。

而且，TCP的机制绝对不允许在相同的地址和端口上绑定不同的服务器，即使我们设置SO_REUSEADDR套接字选项，也不可能在ANY通配符地址下和端口9527上重复启动两个服务器实例。如果我们启动第二个服务器实例，不出所料会得到Address already in use的报错，即使当前还没有任何一条有效TCP连接产生。

比如下面就是第二次运行服务器端程序的报错信息：

$./addressused2
     bind faied: Address already in use(98)

你可能还记得第10讲中，我们提到过一个叫做tcp_tw_reuse的内核配置选项，这里又提到了SO_REUSEADDR套接字选择，你会不会觉得两个有点混淆呢？

其实，这两个东西一点关系也没有。

tcp_tw_reuse是内核选项，主要用在连接的发起方。TIME_WAIT状态的连接创建时间超过1秒后，新的连接才可以被复用，注意，这里是连接的发起方；
SO_REUSEADDR是用户态的选项，SO_REUSEADDR选项用来告诉操作系统内核，如果端口已被占用，但是TCP连接状态位于TIME_WAIT ，可以重用端口。如果端口忙，而TCP处于其他状态，重用端口时依旧得到“Address already in use”的错误信息。注意，这里一般都是连接的服务方。

总结

今天我们分析了“Address already in use”产生的原因和解决方法。你只要记住一句话，在所有TCP服务器程序中，调用bind之前请设置SO_REUSEADDR套接字选项。这不会产生危害，相反，它会帮助我们在很快时间内重启服务端程序，而这一点恰恰是很多场景所需要的。

思考题

跟往常一样，给你布置两道思考题：

第一道，之前我们看到的例子，都是对TCP套接字设置SO_REUSEADDR套接字选项，你知道吗，我们也可以对UDP设置SO_REUSEADDR套接字选项。那么问题来了，对UDP来说，设置SO_REUSEADDR套接字选项有哪些场景和好处呢？

第二道，在服务器端程序中，设置SO_REUSEADDR套接字选项时，需要在bind函数之前对监听字进行设置，想一想，为什么不是对已连接的套接字进行设置呢？

欢迎你在评论区写下你的思考，我会和你一起讨论交流，也欢迎把这篇文章分享给你的朋友或者同事，一起交流一下。

大师兄

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重用套接字选项

最佳实践

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