SO_REUSEPORT與SO_REUSEADDR的區別有哪些

這篇文章給大家介紹SO_REUSEPORT與SO_REUSEADDR的區別有哪些，內容非常詳細，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對大家能有所幫助。

Socket的基本背景

在討論這兩個選項的區別時，我們需要知道的是BSD實現是所有socket實現的起源。基本上其他所有的系統某種程度上都參考了BSD socket實現（或者至少是其接口），然后開始了它們自己的獨立發展進化。顯然，BSD本身也是隨著時間在不斷發展變化的。所以較晚參考BSD的系統比較早參考BSD的系統多一些特性。所以理解BSD socket實現是理解其他socket實現的基石。下面我們就分析一下BSD socket實現。

在這之前，我們首先要明白如何唯一識別TCP/UDP連接。TCP/UDP是由以下五元組唯一地識別的：

{<protocol>, <src addr>, <src port>, <dest addr>, <dest port>}

這些數值組成的任何獨特的組合可以唯一地確一個連接。那么，對于任意連接，這五個值都不能完全相同。否則的話操作系統就無法區別這些連接了。

一個socket的協議是在用socket()初始化的時候就設置好的。源地址（source address）和源端口（source port）在調用bind()的時候設置。目的地址（destination address）和目的端口（destination port）在調用connect()的時候設置。其中UDP是無連接的，UDP socket可以在未與目的端口連接的情況下使用。但UDP也可以在某些情況下先與目的地址和端口建立連接后使用。在使用無連接UDP發送數據的情況下，如果沒有顯式地調用bind()，草錯系統會在第一次發送數據時自動將UDP socket與本機的地址和某個端口綁定（否則的話程序無法接受任何遠程主機回復的數據）。同樣的，一個沒有綁定地址的TCP socket也會在建立連接時被自動綁定一個本機地址和端口。

如果我們手動綁定一個端口，我們可以將socket綁定至端口0，綁定至端口0的意思是讓系統自己決定使用哪個端口（一般是從一組操作系統特定的提前決定的端口數范圍中），所以也就是任何端口的意思。同樣的，我們也可以使用一個通配符來讓系統決定綁定哪個源地址（ipv4通配符為0.0.0.0，ipv6通配符為::）。而與端口不同的是，一個socket可以被綁定到主機上所有接口所對應的地址中的任意一個。基于連接在本socket的目的地址和路由表中對應的信息，操作系統將會選擇合適的地址來綁定這個socket，并用這個地址來取代之前的通配符IP地址。

在默認情況下，任意兩個socket不能被綁定在同一個源地址和源端口組合上。比如說我們將socketA綁定在A:X地址，將socketB綁定在B:Y地址，其中A和B是IP地址，X和Y是端口。那么在A==B的情況下X!=Y必須滿足，在X==Y的情況下A!=B必須滿足。需要注意的是，如果某一個socket被綁定在通配符IP地址下，那么事實上本機所有IP都會被系統認為與其綁定了。例如一個socket綁定了0.0.0.0:21，在這種情況下，任何其他socket不論選擇哪一個具體的IP地址，其都不能再綁定在21端口下。因為通配符IP0.0.0.0與所有本地IP都沖突。

以上所有內容基本上在主要操作系統中都相同。而各個中SO_REUSEADDR會有不同的含義。首先我們來討論BSD實現。因為BSD試試其他所有socket實現方法的源頭。

BSD

SO_REUSEADDR

如果在一個socket綁定到某一地址和端口之前設置了其SO_REUSEADDR的屬性，那么除非本socket與產生了嘗試與另一個socket綁定到完全相同的源地址和源端口組合的沖突，否則的話這個socket就可以成功的綁定這個地址端口對。這聽起來似乎和之前一樣。但是其中的關鍵字是完全。SO_REUSEADDR主要改變了系統對待通配符IP地址沖突的方式。

如果不用SO_REUSEADDR的話，如果我們將socketA綁定到0.0.0.0:21，那么任何將本機其他socket綁定到端口21的舉動（如綁定到192.168.1.1:21）都會導致EADDRINUSE錯誤。因為0.0.0.0是一個通配符IP地址，意味著任意一個IP地址，所以任何其他本機上的IP地址都被系統認為已被占用。如果設置了SO_REUSEADDR選項，因為0.0.0.0:21和192.168.1.1:21并不是完全相同的地址端口對（其中一個是通配符IP地址，另一個是一個本機的具體IP地址），所以這樣的綁定是可以成功的。需要注意的是，無論socketA和socketB初始化的順序如何，只要設置了SO_REUSEADDR，綁定都會成功；而只要沒有設置SO_REUSEADDR，綁定都不會成功。

下面的表格列出了一些可能的情況及其結果。

這個表格假定socketA已經成功地綁定了表格中對應的地址，然后socketB被初始化了，其SO_REUSEADDR設置的情況如表格第一列所示，然后socketB試圖綁定表格中對應地址。Result列是其綁定的結果。如果第一列中的值是ON/OFF，那么SO_REUSEADDR設置與否都與結果無關。

上面討論了SO_REUSEADDR對通配符IP地址的作用，但其并不只有這一作用。其另一作用也是為什么大家在進行服務器端編程的時候會采用SO_REUSEADDR選項的原因。為了理解其另一個作用及其重要應用，我們需要先更深入地討論一下TCP協議的工作原理。

每一個socket都有其相應的發送緩沖區（buffer）。當成功調用其send()方法的時候，實際上我們所要求發送的數據并不一定被立即發送出去，而是被添加到了發送緩沖區中。對于UDP socket來說，即使不是馬上被發送，這些數據一般也會被很快發送出去。但對于TCP socket來說，在將數據添加到發送緩沖區之后，可能需要等待相對較長的時間之后數據才會被真正發送出去。因此，當我們關閉了一個TCP socket之后，其發送緩沖區中可能實際上還仍然有等待發送的數據。但此時因為send()返回了成功，我們的代碼認為數據已經實際上被成功發送了。如果TCP socket在我們調用close()之后直接關閉，那么所有這些數據都將會丟失，而我們的代碼根本不會知道。但是，TCP是一個可靠的傳輸層協議，直接丟棄這些待傳輸的數據顯然是不可取的。實際上，如果在socket的發送緩沖區中還有待發送數據的情況下調用了其close()方法，其將會進入一個所謂的TIME_WAIT狀態。在這個狀態下，socket將會持續嘗試發送緩沖區的數據直到所有數據都被成功發送或者直到超時，超時被觸發的情況下socket將會被強制關閉。

操作系統的kernel在強制關閉一個socket之前的最長等待時間被稱為延遲時間（Linger Time）。在大部分系統中延遲時間都已經被全局設置好了，并且相對較長（大部分系統將其設置為2分鐘）。我們也可以在初始化一個socket的時候使用SO_LINGER選項來特定地設置每一個socket的延遲時間。我們甚至可以完全關閉延遲等待。但是需要注意的是，將延遲時間設置為0（完全關閉延遲等待）并不是一個好的編程實踐。因為優雅地關閉TCP socket是一個比較復雜的過程，過程中包括與遠程主機交換數個數據包（包括在丟包的情況下的丟失重傳），而這個數據包交換的過程所需要的時間也包括在延遲時間中。如果我們停用延遲等待，socket不止會在關閉的時候直接丟棄所有待發送的數據，而且總是會被強制關閉（由于TCP是面向連接的協議，不與遠端端口交換關閉數據包將會導致遠端端口處于長時間的等待狀態）。所以通常我們并不推薦在實際編程中這樣做。TCP斷開連接的過程超出了本文討論的范圍，如果對此有興趣，可以參考這個頁面。并且實際上，如果我們禁用了延遲等待，而我們的程序沒有顯式地關閉socket就退出了，BSD（可能包括其他系統）會忽略我們的設置進行延遲等待。例如，如果我們的程序調用了exit()方法，或者其進程被使用某個信號終止了（包括進程因為非法內存訪問之類的情況而崩潰）。所以我們無法百分之百保證一個socket在所有情況下忽略延遲等待時間而終止。

這里的問題在于操作系統如何對待處于TIME_WAIT階段的socket。如果SO_REUSEADDR選項沒有被設置，處于TIME_WAIT階段的socket任然被認為是綁定在原來那個地址和端口上的。直到該socket被完全關閉之前（結束TIME_WAIT階段），任何其他企圖將一個新socket綁定該該地址端口對的操作都無法成功。這一等待的過程可能和延遲等待的時間一樣長。所以我們并不能馬上將一個新的socket綁定到一個剛剛被關閉的socket對應的地址端口對上。在大多數情況下這種操作都會失敗。

然而，如果我們在新的socket上設置了SO_REUSEADDR選項，如果此時有另一個socket綁定在當前的地址端口對且處于TIME_WAIT階段，那么這個已存在的綁定關系將會被忽略。事實上處于TIME_WAIT階段的socket已經是半關閉的狀態，將一個新的socket綁定在這個地址端口對上不會有任何問題。這樣的話原來綁定在這個端口上的socket一般不會對新的socket產生影響。但需要注意的是，在某些時候，將一個新的socket綁定在一個處于TIME_WAIT階段但仍在工作的socket所對應的地址端口對會產生一些我們并不想要的，無法預料的負面影響。但這個問題超過了本文的討論范圍。而且幸運的是這些負面影響在實踐中很少見到。

最后，關于SO_REUSEADDR，我們還要注意的一件事是，以上所有內容只要我們對新的socket設置了SO_REUSEADDR就成立。至于原有的已經綁定在當前地址端口對上的，處于或不處于TIME_WAIT階段的socket是否設置了SO_REUSEADDR并無影響。決定bind操作是否成功的代碼僅僅會檢查新的被傳遞到bind()方法的socket的SO_REUSEADDR選項。其他涉及到的socket的SO_REUSEADDR選項并不會被檢查。

SO_REUSEPORT

許多人將SO_REUSEADDR當成了SO_REUSEPORT。基本上來說，SO_REUSEPORT允許我們將任意數目的socket綁定到完全相同的源地址端口對上，只要所有之前綁定的socket都設置了SO_REUSEPORT選項。如果第一個綁定在該地址端口對上的socket沒有設置SO_REUSEPORT，無論之后的socket是否設置SO_REUSEPORT，其都無法綁定在與這個地址端口完全相同的地址上。除非第一個綁定在這個地址端口對上的socket釋放了這個綁定關系。與SO_REUSEADDR不同的是 ，處理SO_REUSEPORT的代碼不僅會檢查當前嘗試綁定的socket的SO_REUSEPORT，而且也會檢查之前已綁定了當前嘗試綁定的地址端口對的socket的SO_REUSEPORT選項。

SO_REUSEPORT并不等于SO_REUSEADDR。這么說的含義是如果一個已經綁定了地址的socket沒有設置SO_REUSEPORT，而另一個新socket設置了SO_REUSEPORT且嘗試綁定到與當前socket完全相同的端口地址對，這次綁定嘗試將會失敗。同時，如果當前socket已經處于TIME_WAIT階段，而這個設置了SO_REUSEPORT選項的新socket嘗試綁定到當前地址，這個綁定操作也會失敗。為了能夠將新的socket綁定到一個當前處于TIME_WAIT階段的socket對應的地址端口對上，我們要么需要在綁定之前設置這個新socket的SO_REUSEADDR選項，要么需要在綁定之前給兩個socket都設置SO_REUSEPORT選項。當然，同時給socket設置SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT選項是也是可以的。

SO_REUSEPORT是在SO_REUSEADDR之后被添加到BSD系統中的。這也是為什么現在有些系統的socket實現里沒有SO_REUSEPORT選項。因為它們在這個選項被加入BSD系統之前參考了BSD的socket實現。而在這個選項被加入之前，BSD系統下沒有任何辦法能夠將兩個socket綁定在完全相同的地址端口對上。

Connect()返回EADDRINUSE？

有些時候bind()操作會返回EADDRINUSE錯誤。但奇怪的是，在我們調用connect()操作時，也有可能得到EADDRINUSE錯誤。這是為什么呢？為何一個我們嘗試令當前端口建立連接的遠程地址也會被占用呢？難道將多個socket連接到同一個遠程地址的操作會有什么問題產生嗎？

正如本文之前所說，一個連接關系是由一個五元組確定的。對于任意的連接關系而言，這個五元組必須是唯一的。否則的話，系統將無法分辨兩個連接。而現在當我們采用了地址復用之后，我們可以將兩個采用相同協議的socket綁定到同一地址端口對上。這意味著對這兩個socket而言，五元組里的{<protocol>, <src addr>, <src port>}已經相同了。在這種情況下，如果我們嘗試將它們都連接到同一個遠程地址端口上，這兩個連接關系的五元組將完全相同。也就是說，產生了兩個完全相同的連接。在TCP協議中這是不被允許的（UDP是無連接的）。如果這兩個完全相同的連接種的某一個接收到了數據，系統將無法分辨這個數據到底屬于哪個連接。所以在這種情況下，至少這兩個socket所嘗試連接的遠程主機的地址和端口不能相同。只有如此，系統才能繼續區分這兩個連接關系。

所以當我們將兩個采用相同協議的socket綁定到同一個本地地址端口對上后，如果我們還嘗試讓它們和同一個目的地址端口對建立連接，第二個嘗試調用connect()方法的socket將會報EADDRINUSE的錯誤，這說明一個擁有完全相同的五元組的socket已經存在了。

Multicast Address

相對于用于一對一通信的unicast地址，multicast地址用于一對多通信。IPv4和IPv6都擁有multicast地址。但是IPv4中的multicast實際上在公共網路上很少被使用。

SO_REUSEADDR的意義在multicast地址的情況下會與之前有所不同。在這種情況下，SO_REUSEADDR允許我們將多個socket綁定至完全相同的源廣播地址端口對上。換句話說，對于multicast地址而言，SO_REUSEADDR的作用相當于unicast通信中的SO_REUSEPORT。事實上，在multicast情況下，SO_REUSEADDR和SO_REUSEPORT的作用完全相同。

FreeBSD/OpenBSD/NetBSD

所有這些系統都是參考了較新的原生BSD系統代碼。所以這三個系統提供與BSD完全相同的socket選項，這些選項的含義與原生BSD完全相同。

MacOS X

MacOS X的核心代碼實現是基于較新版本的原生BSD的BSD風格的UNIX，所以MacOS X提供與BSD完全相同的socket選項，并且它們的含義也與BSD系統相同。

iOS

iOS事實上是一個略微改造過的MacOS X，所以適用于MacOS X的也適用于iOS。

Linux

在Linux3.9之前，只有SO_REUSEADDR選項存在。這個選項的作用基本上同BSD系統下相同。但其仍有兩個重要的區別。

第一個區別是如果一個處于監聽（服務器）狀態下的TCP socket已經被綁定到了一個通配符IP地址和一個特定端口下，那么不論這兩個socket有沒有設置SO_REUSEADDR選項，任何其他TCP socket都無法再被綁定到相同的端口下。即使另一個socket使用了一個具體IP地址（像在BSD系統中允許的那樣）也不行。而非監聽（客戶）TCP socket則無此限制。

第二個區別是對于UDP socket來說，SO_REUSEADDR的作用和BSD中SO_REUSEPORT完全相同。所以兩個UDP socket如果都設置了SO_REUSEADDR的話，它們就可以被綁定在一組完全相同的地址端口對上。

Linux3.9加入了SO_REUSEPORT選項。只要所有socket（包括第一個）在綁定地址前設置了這個選項，兩個或多個，TCP或UDP，監聽（服務器）或非監聽（客戶）socket就可以被綁定在完全相同的地址端口組合下。同時，為了防止端口劫持（port hijacking），還有一個特別的限制：所有試圖綁定在相同的地址端口組合的socket必須屬于擁有相同用戶ID的進程。所以一個用戶無法從另一個用戶那里“偷竊”端口。

除此之外，對于設置了SO_REUSEPORT選項的socket，Linux kernel還會執行一些別的系統所沒有的特別的操作：對于綁定于同一地址端口組合上的UDP socket，kernel嘗試在它們之間平均分配收到的數據包；對于綁定于同一地址端口組合上的TCP監聽socket，kernel嘗試在它們之間平均分配收到的連接請求（調用accept()方法所得到的請求）。這意味著相比于其他允許地址復用但隨機將收到的數據包或者連接請求分配給連接在同一地址端口組合上的socket的系統而言，Linux嘗試了進行流量分配上的優化。比如一個簡單的服務器進程的幾個不同實例可以方便地使用SO_REUSEPORT來實現一個簡單的負載均衡，而且這個負載均衡有kernel負責， 對程序來說完全免費！

Android

Android的核心部分是略微修改過的Linux kernel，所以所有適用于Linux的操作也適用于Android。

Windows

Windows僅有SO_REUSEADDR選項。在Windows中對一個socket設置SO_REUSEADDR的效果與在BSD下同時對一個socket設置SO_REUSEPORT和SO_REUSEADDR相同。但其區別在于：即使另一個已綁定地址的socket并沒有設置SO_REUSEADDR，一個設置了SO_REUSEADDR的socket總是可以綁定到與另一個已綁定的socket完全相同的地址端口組合上。這個行為可以說是有些危險的。因為它允許了一個應用從另一個引用已連接的端口上偷取數據。微軟意識到了這個問題，因此添加了另一個socket選項：SO_EXCLUSIVEADDRUSE。對一個socket設置SO_EXCLUSIVEADDRUSE可以確保一旦該socket綁定了一個地址端口組合，任何其他socket，不論設置SO_REUSEADDR與否，都無法再綁定當前的地址端口組合。

Solaris

Solaris是SunOS的繼任者。SunOS從某種程度上來說也是一個較早版本的BSD的一個支路。因此Solaris只提供SO_REUSEADDR，且其表現和BSD系統中基本相同。據我所知，在Solaris系統中無法實現與SO_REUSEPORT相同的功能。這意味著在Solaris中無法將兩個socket綁定到完全相同的地址端口組合下。

與Windows類似的是，Solaris也為socket提供獨占綁定的選項——SO_EXCLBIND。如果一個socket在綁定地址前設置了這個選項，即使其他socket設置了SO_REUSEADDR也將無法綁定至相同地址。例如：如果socketA綁定在了通配符IP地址下，而socketB設置了SO_REUSEADDR且綁定在一個具體IP地址和與socketA相同的端口的組合下，這個操作在socketA沒有設置SO_EXCLBIND的情況下會成功，否則會失敗。

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