【Java TCP/IP Socket】深入剖析socket——TCP通信中由于底层队列填满而造成的死锁问题(含代码)

基础准备

首先需要明白数据传输的底层实现机制,在http://blog.csdn.net/ns_code/article/details/15813809这篇博客中有详细的介绍,在上面的博客中,我们提到了SendQ和RecvQ缓冲队列,这两个缓冲区的容量在具体实现时会受一定的限制,虽然它们使用的实际内存大小会动态地增长和收缩,但还是需要一个硬性的限制,以防止行为异常的程序所控制的单一TCP连接将系统的内存全部消耗。正式由于缓冲区的容量有限,它们可能会被填满,事实也正是如此,如果与TCP的流量控制机制结合使用,则可能导致一种形式的死锁。

一旦RecvQ已满,TCP流控制机制就会产生作用(使用流控制机制的目的是为了保证发送者不会传输太多数据,从而超出了接收系统的处理能力),它将阻止传输发送端主机的SendQ中的任何数据,直到接收者调用输入流的read()方法将RecvQ中的数据移除一部分到Delivered中,从而腾出了空间。发送端可以持续地写出数据,直到SendQ队列被填满,如果SendQ队列已满时调用输出流的write()方法,则会阻塞等待,直到有一些字节被传输到RecvQ队列中,如果此时RecvQ队列也被填满了,所有的操作都将停止,直到接收端调用了输入流的read()方法将一些字节传输到了Delivered队列中。

引出问题

我们假设SendQ队列和RecvQ队列的大小分别为SQS和RQS。将一个大小为n的字节数组传递给发送端write()方法调用,其中n > SQS,直到有至少n-SQS字节的数据传递到接收端主机的RecvQ队列后,该方法才返回。如果n的大小超过了SQS+RQS,write()方法将在接收端从输入流读取了至少n-(SQS+RQS)字节后才会返回。如果接收端没有调用read()方法,大数据量的发送是无法成功的。特别是连接的两端同时分别调用它的输出流的write()方法,而他们的缓冲区大小又大于SQS+RQS时,将会发生死锁:两个write操作都不能完成,两个程序都将永远保持阻塞状态。

下面考虑一个具体的例子,即主机A上的程序和主机B上的程序之间的TCP连接。假设A和B上的SQS和RQS都是500字节,下图展示了两个程序试图同时发送1500字节时的情况。主机A上的程序中的前500字节已经传输到另一端,另外500字节已经复制到了主机A的SendQ队列中,余下的500字节则无法发送,write()方法将无法返回,直到主机B上程序的RecvQ队列有空间空出来,然而不幸的是B上的程序也遇到了同样的情况,而二者都没有及时调用read()方法从自己的RecvQ队列中读取数据到Delivered队列中。因此,两个程序的write()方法调用都永远无法返回,产生死锁。因此,在写程序时,要仔细设计协议,以避免在两个方向上传输大量数据时产生死锁。

示例分析

回顾前面几篇博客中的TCP通信的示例代码,基本都是只调用一次write()方法将所有的数据写出,而且我们测试的数据量也不大。考虑一个压缩字节的Demo,客户端从文件中读取字节,发送到服务端,服务端将受到的文件压缩后反馈给客户端。

这里先给出代码,客户端代码如下:

import java.io.FileInputStream;
import java.io.FileOutputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.io.OutputStream;
import java.net.Socket;

public class CompressClientNoDeadlock {

  public static final int BUFSIZE = 256;  // Size of read buffer

  public static void main(String[] args) throws IOException {

    if (args.length != 3)  // Test for correct #  of args
      throw new IllegalArgumentException("Parameter(s): <Server> <Port> <File>");

    String server = args[0];               // Server name or IP address
    int port = Integer.parseInt(args[1]);  // Server port
    String filename = args[2];             // File to read data from

    // Open input and output file (named input.gz)
    final FileInputStream fileIn = new FileInputStream(filename);
    FileOutputStream fileOut = new FileOutputStream(filename + ".gz");

    // Create socket connected to server on specified port
    final Socket sock = new Socket(server, port);

    // Send uncompressed byte stream to server
    Thread thread = new Thread() {
      public void run() {
        try {
          SendBytes(sock, fileIn);
        } catch (Exception ignored) {}
      }
    };
    thread.start();

    // Receive compressed byte stream from server
    InputStream sockIn = sock.getInputStream();
    int bytesRead;                      // Number of bytes read
    byte[] buffer = new byte[BUFSIZE];  // Byte buffer
    while ((bytesRead = sockIn.read(buffer)) != -1) {
      fileOut.write(buffer, 0, bytesRead);
      System.out.print("R");   // Reading progress indicator
    }
    System.out.println();      // End progress indicator line

    sock.close();     // Close the socket and its streams
    fileIn.close();   // Close file streams
    fileOut.close();
  }

  public static void SendBytes(Socket sock, InputStream fileIn)
      throws IOException {

    OutputStream sockOut = sock.getOutputStream();
    int bytesRead;                      // Number of bytes read
    byte[] buffer = new byte[BUFSIZE];  // Byte buffer
    while ((bytesRead = fileIn.read(buffer)) != -1) {
      sockOut.write(buffer, 0, bytesRead);
      System.out.print("W");   // Writing progress indicator
    }
    sock.shutdownOutput();     // Done sending
  }
}

死锁问题的产生原因在客户端上,因此,服务端的具体代码我们不再给出,服务端采取边读边写的策略。

下面我们边对上面可能产生的问题进行分析。对该示例而言,当需要传递的文件容量不是很大时,程序运行正常,也能得到预期的结果,但如果尝试运行该客户端并传递给它一个大文件,改文件压缩后仍然很大(在此,大的精确定义取决于程序运行的系统,不过压缩后依然超过2MB的文件应该就可以使改程序产生死锁问题),那么客户端将打印出一堆W后停止,而且不会打印出任何R,程序也不会终止。

为什么会产生这种情况呢?我们来看程序,客户端很明显是一边读取本地文件中的数据,一边调用输出流的write()方法,将数据送入客户端主机的SendQ队列,直到文件中的数据被读取完,客户端才调用输入流的read()方法,读取服务端发送回来的数据。

考虑这种情况:客户端和服务端的SendQ队列和RecvQ队列中都有500字节的数据空间,而客户端发送了一个10000字节的文件,同时假设对于这个文件,服务端读取1000字节并返回500字节,即压缩比为2:1,当客户端发送了2000字节后,服务端将最终全部读取这些字节,并发回1000字节,由于客户端此时并没有调用输入流的read()方法从客户端主机的RecvQ队列中移出数据到Delivered,因此,此时客户端的RecvQ队列和服务端的SendQ队列都被填满了,此时客户端还在继续发送数据,又发送了1000字节的数据,并且被服务端全部读取,但此时服务端的write操作尝试都已被阻塞,不能继续发送数据给客户端,当客户端再发送了另外的1000字节数据后,客户端的SendQ队列和服务端的RecvQ队列都将被填满,后续的客户端write操作也将阻塞,从而形成死锁。

解决方案

如何解决这个问题呢?造成死锁产生的原因是因为客户端在发送数据的同时,没有及时读取反馈回来的数据,从而使数据都阻塞在了底层的传输队列中。

方案一是在编写客户端程序时,使客户端一边循环调用输出流的read()方法向服务端发送数据,一边循环调用输入流的read()方法读取从服务端反馈回来的数据,但这也不能完全保证不会产生死锁。

更好的解决方案是在不同的线程中执行客户端的write循环和read循环。一个线程从文件中反复读取未压缩的字节并将其发送给服务器,直到文件的结尾,然后调用该套接字的shutdownOutput()方法。另一个线程从服务端的输入流中不断读取压缩后的字节,并将其写入输出文件,直到到达了输入流的结尾(服务器关闭了套接字)。这样,便可以实现一边发送,一边读取,而且如果一个线程阻塞了,另一个线程仍然可以独立执行。这样我们可以对客户端代码进行简单的修改,将SendByes()方法调用放到一个线程中:

    Thread thread = new Thread() {
      public void run() {
        try {
          SendBytes(sock, fileIn);
        } catch (Exception ignored) {}
      }
    };
    thread.start();

当然,解决这个问题也可以不使用多线程,而是使用NIO机制(Channel和Selector)。



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