(12) 怎么老是出现 “地址已经被使用” ？

在实战中，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。

从例子开始

这个TCP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。

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++;
    }
}

(1) 启动服务器，之后使用 Telnet 登录这个服务器，并在屏幕上输入一些字符，例如：network，good。

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

和期望的一样，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。

(2) 改变一下连接的关闭顺序。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。接下来直接使用 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.

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

可以看到，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，尝试重启服务器端程序。这个时候服务端程序重启失败，报错信息为：bind failed: Address already in use。

这个错误到底是怎么发生的呢？

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，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)

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

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：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：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。

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。

对上面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，这个时候发现，服务器正常启动，没有出现 Address already in use 的错误。这说明修改起了作用。

 $./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。

注：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

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安全。其实，单独重用一个套接字不会有任何问题。

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。

注：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。

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

tcp_tw_reuse 和SO_REUSEADDR 的区别：

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：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：这里一般都是连接的服务方)

tcp_tw_reuse：为了缩短time_wait的时间，避免出现大量的time_wait链接而占用系统资源，解决的是accept后的问题；

SO_REUSEADDR：解决time_wait状态带来的端口占用问题，以及支持同一个port对应多个ip，解决的是bind时的问题。

总结

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

1. 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？

UDP的SO_REUSEADDR使用比较多的场景是组播网络，好处是，如我们在接收组播流的时候，比如用ffmpeg拉取了一个组播流，但是还想用ffmpeg拉取相同的组播流，这个时候就需要地址重用了。

2. 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？

因为SO_REUSEADDR是针对新建立的连接才起作用，对已建立的连接设置是无效的。