【计算机网络】Socket的SO_TIMEOUT与连接超时时间

SO_TIMEOUT选项是Socket的一个选项，用于设置读取数据的超时时间。它指定了在读取数据时等待的最长时间，如果在指定的时间内没有数据可读取，将抛出SocketTimeoutException异常。

SO_TIMEOUT的设置

默认情况下，SO_TIMEOUT选项的值为0，表示没有设置超时时间，Socket将一直阻塞等待数据的到达。如果将SO_TIMEOUT的值设置为一个非零的正整数，那么在读取数据时，如果在指定的时间内没有数据可读取，将抛出SocketTimeoutException异常。

可以通过Socket类的setSoTimeout()方法来设置SO_TIMEOUT选项的值，例如：

package com.morris.socket;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * Socket服务端，演示SO_TIMEOUT
 *
 * 客户端可以使用nc命令
 */
public class ReadTimeoutDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(8099);
        Socket socket = serverSocket.accept();
        socket.setSoTimeout(5000); // 设置超时时间为5秒
        InputStream inputStream = socket.getInputStream();
        try {
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len = inputStream.read(buffer);
            System.out.println(new String(buffer, 0 , len));
        } catch (Exception e) {
            System.out.println(e.getMessage());
            byte[] buffer = new byte[1024];
            int len = inputStream.read(buffer);
            System.out.println(new String(buffer, 0 , len));
            socket.close();
            serverSocket.close();
        }
    }
}

上面的例子中设置了SO_TIMEOUT的值为5000，单位为毫秒，也就是设置了读取数据的超时时间为5秒，如果在5秒内没有数据可读取，将抛出SocketTimeoutException异常，可以通过捕获这个异常来处理超时情况。

注意超时了只是会抛出了SocketTimeoutException异常，read()方法不再阻塞，连接并没有关闭，可以通过捕获这个异常后继续读取数据，或者关闭连接。

产生的系统调用如下：

socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 4
setsockopt(4, SOL_IPV6, IPV6_V6ONLY, [0], 4) = 0
setsockopt(4, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, [1], 4) = 0
bind(4, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(8099), sin6_flowinfo=htonl(0), inet_pton(AF_INET6, "::", &sin6_addr), sin6_scope_id=0}, 28) = 0
listen(4, 50)
accept(4, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(44964), sin6_flowinfo=htonl(0), inet_pton(AF_INET6, "::ffff:127.0.0.1", &sin6_addr), sin6_scope_id=0}, [28]) = 5
read(5, 0x7f586012c6c0, 1024)           = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable)
poll([{fd=5, events=POLLIN}], 1, 4935)  = 0 (Timeout)
read(5, 0x7f586012c6c0, 1024)           = -1 EAGAIN (Resource temporarily unavailable)

可以看到底层是使用poll的timeout参数来实现读取超时时间的设置。

poll的函数声明如下：

int poll(struct pollfd *fds, nfds_t nfds, int timeout);

设置连接超时时间

前面的代码通过SO_TIMEOUT选项来设置数据读取的超时时间，那么Socket之间建立连接的超时时间如何设置呢？

客户端建立连接时可以使用connect()来指定连接的超时时间：

package com.morris.socket;

import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;
import java.net.Socket;

/**
 * Socket客户端，演示连接超时时间
 *
 */
public class ConnectTimeoutClientDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        Socket socket = new Socket();
        socket.connect(new InetSocketAddress("localhost", 8099), 5000);
    }
}

在上述代码中，通过调用Socket的connect()方法来尝试连接服务器，并设置连接超时时间为5秒。如果在5秒内未能成功连接到服务器，将抛出SocketTimeoutException异常。

客户端产生的系统调用如下：

socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 4
setsockopt(4, SOL_IPV6, IPV6_V6ONLY, [0], 4) = 0
fcntl(4, F_GETFL)                       = 0x2 (flags O_RDWR)
fcntl(4, F_SETFL, O_RDWR|O_NONBLOCK)    = 0
connect(4, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(8099), sin6_flowinfo=htonl(0), inet_pton(AF_INET6, "::ffff:127.0.0.1", &sin6_addr), sin6_scope_id=0}, 28) = -1 EINPROGRESS (Operation now in progress)
poll([{fd=4, events=POLLOUT}], 1, 0)    = 0 (Timeout)
clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, {tv_sec=10284, tv_nsec=286532200}) = 0
poll([{fd=4, events=POLLOUT}], 1, 4893) = 0 (Timeout)
poll([{fd=4, events=POLLOUT}], 1, 0)    = 0 (Timeout)

可以看到客户端的连接超时时间也是通过poll函数的timeout来实现的。

服务端可以下面的代码来演示抛出SocketTimeoutException异常：

package com.morris.socket;

import java.io.IOException;
import java.net.InetSocketAddress;
import java.net.ServerSocket;

/**
 * Socket服务端，演示连接超时时间
 *
 * 使用nc命令执行两次后，再执行ConnectTimeoutClientDemo，这样就会抛出SocketTimeoutException
 */
public class ConnectTimeoutServerDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        ServerSocket serverSocket = new ServerSocket();
        serverSocket.bind(new InetSocketAddress(8099), 1);
        System.in.read();
    }
}

先使用nc命令执行两次消耗backlog的值，然后再ConnectTimeoutClientDemo，5s后就会抛出SocketTimeoutException。

默认连接超时时间

如果不设置连接超时时间，默认值是多少呢，会不会像读取超时时间一样一直等待呢？

我们可以使用下面的代码来测试默认的连接超时时间是多长：

package com.morris.socket;

import java.io.IOException;
import java.net.Socket;

/**
 * Socket客户端，演示连接超时时间
 *
 */
public class DefaultConnectTimeoutClientDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        long start = System.currentTimeMillis();
        try {
            new Socket("localhost", 8099);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("cost: " + (System.currentTimeMillis() - start));
    }
}

同样配合ConnectTimeoutServerDemo和nc命令使用，运行结果如下：

java.net.ConnectException: Connection timed out
        at java.base/sun.nio.ch.Net.connect0(Native Method)
        at java.base/sun.nio.ch.Net.connect(Net.java:579)
        at java.base/sun.nio.ch.Net.connect(Net.java:568)
        at java.base/sun.nio.ch.NioSocketImpl.connect(NioSocketImpl.java:585)
        at java.base/java.net.SocksSocketImpl.connect(SocksSocketImpl.java:327)
        at java.base/java.net.Socket.connect(Socket.java:633)
        at java.base/java.net.Socket.connect(Socket.java:583)
        at java.base/java.net.Socket.<init>(Socket.java:507)
        at java.base/java.net.Socket.<init>(Socket.java:287)
        at com.morris.socket.DefaultConnectTimeoutClientDemo.main(DefaultConnectTimeoutClientDemo.java:14)
cost: 135866

可以看出整个过程花费了135秒，这个时间是怎么得来的呢？

client发送sync包，可能会在网络链路中丢失，也有可能server端因为各种原因未及时处理或者无法处理，则client要进行重新发送sync包，而这重试的次数就是由net.ipv4.tcp_syn_retries来决定，默认是6。第一次发送sync包，会进行1s的超时等待，第二次发送sync包，会进行2s的超市等待，如此类推，公式是2的N次方。

查看net.ipv4.tcp_syn_retries的值：

$ sysctl -a | grep net.ipv4.tcp_syn_retries
net.ipv4.tcp_syn_retries = 6

抓包数据：

$ tcpdump -nn -i lo port 8099
tcpdump: verbose output suppressed, use -v or -vv for full protocol decode
listening on lo, link-type EN10MB (Ethernet), capture size 262144 bytes
11:44:02.238833 IP 127.0.0.1.53222 > 127.0.0.1.8099: Flags [S], seq 319321421, win 65495, options [mss 65495,sackOK,TS val 2026768840 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
11:44:03.259673 IP 127.0.0.1.53222 > 127.0.0.1.8099: Flags [S], seq 319321421, win 65495, options [mss 65495,sackOK,TS val 2026769860 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
11:44:05.329576 IP 127.0.0.1.53222 > 127.0.0.1.8099: Flags [S], seq 319321421, win 65495, options [mss 65495,sackOK,TS val 2026771930 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
11:44:09.409633 IP 127.0.0.1.53222 > 127.0.0.1.8099: Flags [S], seq 319321421, win 65495, options [mss 65495,sackOK,TS val 2026776010 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
11:44:17.489597 IP 127.0.0.1.53222 > 127.0.0.1.8099: Flags [S], seq 319321421, win 65495, options [mss 65495,sackOK,TS val 2026784090 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
11:44:34.129690 IP 127.0.0.1.53222 > 127.0.0.1.8099: Flags [S], seq 319321421, win 65495, options [mss 65495,sackOK,TS val 2026800730 ecr 0,nop,wscale 7], length 0
11:45:06.769597 IP 127.0.0.1.53222 > 127.0.0.1.8099: Flags [S], seq 319321421, win 65495, options [mss 65495,sackOK,TS val 2026833370 ecr 0,nop,wscale 7], length 0

HttpClient的超时时间与Socket的超时时间的关系

以下是使用HttpClient设置超时时间的示例：

package com.morris.socket;

import org.apache.http.client.config.RequestConfig;
import org.apache.http.client.methods.HttpGet;
import org.apache.http.impl.client.CloseableHttpClient;
import org.apache.http.impl.client.HttpClients;

import java.io.IOException;

/**
 * 验证HttpClient的超时时间与Socket超时时间的关系
 */
public class HttpClientTimeoutDemo {
    public static void main(String[] args) throws IOException {
        // 创建 RequestConfig 实例，并设置超时时间
        RequestConfig requestConfig = RequestConfig.custom()
                .setConnectTimeout(5000) // 连接超时时间，单位毫秒
                .setSocketTimeout(5000) // 读取超时时间，单位毫秒
                .build();

        // 将超时配置应用到 HttpClient 实例
        CloseableHttpClient httpClient = HttpClients.custom().setDefaultRequestConfig(requestConfig).build();
        HttpGet httpGet = new HttpGet("http://localhost:8099");
        httpClient.execute(httpGet);
    }
}

在上述示例中，setConnectTimeout设置了连接超时时间，即建立连接的最长等待时间。setSocketTimeout设置了读取超时时间，即从服务器读取数据的最长等待时间。

产生的系统调用如下：

socket(AF_INET6, SOCK_STREAM, IPPROTO_IP) = 10
connect(10, {sa_family=AF_INET6, sin6_port=htons(8099), sin6_flowinfo=htonl(0), inet_pton(AF_INET6, "::ffff:127.0.0.1", &sin6_addr), sin6_scope_id=0}, 28) = -1 EINPROGRESS (Operation now in progress)
poll([{fd=10, events=POLLOUT}], 1, 4922) = 0 (Timeout)

从系统调用中可以看到，在应用层httpclient设置的超时时间实际上对应的是底层socket的超时时间。

在使用HttpClient发起HTTP请求时，可以通过设置超时时间来控制连接、读取和写入的超时行为。超时时间可以确保请求在合理的时间范围内完成，避免长时间等待或无限期阻塞。