初步探究java中程序退出、GC垃圾回收時，socket tcp連接的行為

初步探究java中程序退出、GC垃圾回收時，socket tcp連接的行為

今天在項目開發中需要用到socket tcp連接相關（作為tcp客戶端），在思考中發覺需要理清socket主動、被動關閉時發生了什么，所以做了一番實驗，驗證socket tcp連接在調用close、被GC回收、程序運行完畢退出、程序進程被殺掉時，tcp會產生什么行為。得出了一些結論，記錄於此同時分享給大家。

先寫出得到的結論：

1. java程序運行完畢退出和被殺進程時，socket tcp連接會被關閉。而且是通過發送RST方式關閉tcp，不是四次揮手方式關閉tcp，不會進入TIME_WAIT狀態。（一般在關閉異常連接時，使用發出RST復位標志的方式）
2. 在socket對象被GC回收時，socket的close()方法會被調用，此時將使用四次揮手方式關閉主動tcp連接，隨后進入一段時間的TIME_WAIT狀態。主動調用socket的close()方法效果相同。
3. 在使用new Socket(host,port)創建socket對象后，便會建立起tcp連接。

 

以上結論是個人測試得到的，如果有出入歡迎指正。

PS：下方是new Socket(host,port)構造方法的代碼，結合上面結論第3條，可見在構造方法中第40行進行了一些業務邏輯。聯想到前段時間廣泛傳播的《阿里巴巴JAVA開發手冊.pdf》文檔，其中有這樣一條：

11.【強制】構造方法里面禁止加入任何業務邏輯，如果有初始化邏輯，請放在 init 方法中。

可見這個規則也不是處處適用的（至少此處jdk中Socket的構造方法就與這條規則相悖），在使用時考慮到團隊協作、符合習慣等時考慮遵守這條規則。

    /**
     * Creates a stream socket and connects it to the specified port
     * number on the named host.
     * <p>
     * If the specified host is {@code null} it is the equivalent of
     * specifying the address as
     * {@link java.net.InetAddress#getByName InetAddress.getByName}{@code (null)}.
     * In other words, it is equivalent to specifying an address of the
     * loopback interface. </p>
     * <p>
     * If the application has specified a server socket factory, that
     * factory's {@code createSocketImpl} method is called to create
     * the actual socket implementation. Otherwise a "plain" socket is created.
     * <p>
     * If there is a security manager, its
     * {@code checkConnect} method is called
     * with the host address and {@code port}
     * as its arguments. This could result in a SecurityException.
     *
     * @param      host   the host name, or {@code null} for the loopback address.
     * @param      port   the port number.
     *
     * @exception  UnknownHostException if the IP address of
     * the host could not be determined.
     *
     * @exception  IOException  if an I/O error occurs when creating the socket.
     * @exception  SecurityException  if a security manager exists and its
     *             {@code checkConnect} method doesn't allow the operation.
     * @exception  IllegalArgumentException if the port parameter is outside
     *             the specified range of valid port values, which is between
     *             0 and 65535, inclusive.
     * @see        java.net.Socket#setSocketImplFactory(java.net.SocketImplFactory)
     * @see        java.net.SocketImpl
     * @see        java.net.SocketImplFactory#createSocketImpl()
     * @see        SecurityManager#checkConnect
     */
    public Socket(String host, int port)
        throws UnknownHostException, IOException
    {
        this(host != null ? new InetSocketAddress(host, port) :
             new InetSocketAddress(InetAddress.getByName(null), port),
             (SocketAddress) null, true);
    }

 

驗證時，使用的工具：

• windows cmd命令行，“netstat -ano|findstr 9911”命令（9911是我測試時連接的對方服務器端口），用以查看tcp連接情況，包括tcp是否存在，以及處於TIME_WAIT、ESTABLISHED或者別的狀態；
• wireshark，抓包詳細查看tcp中傳輸的數據包；
• JProfiler，java性能分析工具，我在使用時和IDEA做了集成，這里用它的主要目的是手動觸發GC，以及驗證是否進行了GC。

具體驗證過程：

使用以下測試代碼

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        main2();
        System.out.println("調用結束");
        Thread.sleep(15000);
        System.out.println("退出程序");

    }

    public static void main2() throws Exception {

        System.out.println("啟動");
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println("創建socket對象");
        Socket socket = new Socket("123.56.113.123", 9911);
        System.out.println("socket.isConnected() = " + socket.isConnected());
        System.out.println("socket.isClosed() = " + socket.isClosed());
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println("獲取輸出流");
        OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
        System.out.println("socket.isConnected() = " + socket.isConnected());
        System.out.println("socket.isClosed() = " + socket.isClosed());
        System.out.println("即將退出");
//        socket.shutdownOutput();
        Thread.sleep(5000);
        System.out.println("退出");

    }

為了方便在執行不同的操作之間，進行手動的tcp連接情況查詢，代碼中加了一些sleep()。

測試方案1，程序正常執行，不手動GC，不殺進程：

1. 在14行之前，沒有創建tcp連接；
2. 14行創建了Socket對象之后，tcp連接就已經建立了，此時socket.isConnected()為true，socket.isClosed()為false；
3. 19行執行時，沒有發現tcp中有任何數據傳輸，說明獲取輸出流是不需要網絡層的動作的；
4. 19行之后，程序退出之前，tcp一直是ESTABLISHED狀態（前提是這期間沒有發生過GC）；
5. 程序退出后，tcp連接馬上消失（沒有進入TIME_WAIT狀態），通過抓包查看是主動發出了RST（發出RST reset復位標志，一般是關閉異常tcp連接的方法）。

 

以下wireshark抓包的截圖中序號為1-4的包，是上述過程產生的。

測試方案2，tcp連接建立之后，程序退出前，殺掉進程：

和方案1中的效果相同，上圖中5-8號包是方案2產生的。殺掉進程時，會主動發出RST關閉tcp連接。

測試方案3，tcp連接建立后，GC回收socket對象：

觸發GC的方法，是使用JProfiler的Run GC按鈕，觸發GC，如下圖，內存變化說明確實進行了GC。

具體測試的設計，socket對象是main2方法中的局部變量，在main2執行結束后便可以被回收。

在測試中，第2、3行代碼執行完之后，我點擊Run GC按鈕，預計socket對象會被回收。

此時用“netstat -ano|findstr 9911”命令查看，如下圖，tcp已經由ESTABLISHED狀態變為TIME_WAIT狀態。

直到程序結束退出，仍然是TIME_WAIT狀態。（正常情況下，TIME_WAIT狀態會持續MSL時間的2倍，即報文最大生存時間的2倍，Windows下默認為4分鍾）

實際上，在GC時會調用socket的close()方法，導致主動關閉tcp，進入TIME_WAIT狀態。參考 

java - If the jvm gc an unclosed socket instance what would happen to the underlying tcp connection? - Stack Overflow
https://stackoverflow.com/questions/25543149/if-the-jvm-gc-an-unclosed-socket-instance-what-would-happen-to-the-underlying-tc

 在Socket的成員變量中有SocketImpl類型的變量impl，impl實例化的實現類都是直接或間接繼承java.net.AbstractPlainSocketImpl的，AbstractPlainSocketImpl中有如下方法：

    /**
     * Cleans up if the user forgets to close it.
     */
    protected void finalize() throws IOException {
        close();
    }

在GC時，impl的finalize方法會被調用，這時候就相當於調用了socket.close()，所以tcp被正常地主動關閉（socket.close()內的代碼也是調用impl.close()，只是額外加了線程同步控制代碼）。

 測試方案4，主動調用socket.close()關閉tcp連接：

即將第23行代碼取消注釋，替換為socket.close()，或socket.shutdownOutput() ，測試結果均和方案3的一致，close或shutdownOutput之后tcp關閉，端口進入TIME_WAIT狀態。

 

以上是本次測試驗證的過程，對java程序退出、GC回收socket對象、被殺進程、主動close時對tcp影響的初步探究，如有錯誤、疏漏還請斧正。

 

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