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## 第 9 章 套接字的多种可选项
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本章代码，在[TCP-IP-NetworkNote](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote)中可以找到。
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### 9.1 套接字可选项和 I/O 缓冲大小
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我们进行套接字编程时往往只关注数据通信，而忽略了套接字具有的不同特性。但是，理解这些特性并根据实际需要进行更改也很重要
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#### 9.1.1 套接字多种可选项
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我们之前写得程序都是创建好套接字之后直接使用的，此时通过默认的套接字特性进行数据通信，这里列出了一些套接字可选项。
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| 协议层 | 选项名 | 读取 | 设置 |
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| :----: | :----: |:--: | :--: |
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| SOL_SOCKET | SO_SNDBUF | O | O |
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| SOL_SOCKET | SO_RCVBUF | O | O |
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| SOL_SOCKET | SO_REUSEADDR | O | O |
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| SOL_SOCKET | SO_KEEPALIVE | O | O |
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| SOL_SOCKET | SO_BROADCAST | O | O |
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| SOL_SOCKET | SO_DONTROUTE | O | O |
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| SOL_SOCKET | SO_OOBINLINE | O | O |
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| SOL_SOCKET | SO_ERROR | O | X |
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| SOL_SOCKET | SO_TYPE | O | X |
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| IPPROTO_IP | IP_TOS | O | O |
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| IPPROTO_IP | IP_TTL | O | O |
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| IPPROTO_IP | IP_MULTICAST_TTL | O | O |
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| IPPROTO_IP | IP_MULTICAST_LOOP | O | O |
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| IPPROTO_IP | IP_MULTICAST_IF | O | O |
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| IPPROTO_TCP | TCP_KEEPALIVE | O | O |
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| IPPROTO_TCP | TCP_NODELAY | O | O |
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| IPPROTO_TCP | TCP_MAXSEG | O | O |
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从表中可以看出，套接字可选项是分层的。
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- IPPROTO_IP 可选项是IP协议相关事项
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- IPPROTO_TCP 层可选项是 TCP 协议的相关事项
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- SOL_SOCKET 层是套接字的通用可选项。
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#### 9.1.2 `getsockopt` & `setsockopt`
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可选项的读取和设置通过以下两个函数来完成
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```c
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#include <sys/socket.h>
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int getsockopt(int sock, int level, int optname, void *optval, socklen_t *optlen);
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/*
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成功时返回 0 ，失败时返回 -1
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sock: 用于查看选项套接字文件描述符
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level: 要查看的可选项协议层
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optname: 要查看的可选项名
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optval: 保存查看结果的缓冲地址值
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optlen: 向第四个参数传递的缓冲大小。调用函数后，该变量中保存通过第四个参数返回的可选项信息的字节数。
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*/
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```
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上述函数可以用来读取套接字可选项，下面的函数可以更改可选项：
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```c
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#include <sys/socket.h>
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int setsockopt(int sock, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);
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/*
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成功时返回 0 ，失败时返回 -1
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sock: 用于更改选项套接字文件描述符
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level: 要更改的可选项协议层
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optname: 要更改的可选项名
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optval: 保存更改结果的缓冲地址值
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optlen: 向第四个参数传递的缓冲大小值（选项值的长度）。
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*/
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```
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下面的代码可以看出 getsockopt 的使用方法。下面示例用协议层为 SOL_SOCKET 、名为 SO_TYPE 的可选项查看套接字类型（TCP 和 UDP ）。
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- [sock_type.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch09/sock_type.c)
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编译运行：
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```shell
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gcc sock_type.c -o sock_type
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./sock_type
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```
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结果：
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```
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SOCK_STREAM: 1
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SOCK_DGRAM: 2
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Socket type one: 1
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Socket type two: 2
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```
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首先创建了一个 TCP 套接字和一个 UDP 套接字。然后通过调用 getsockopt 函数来获得当前套接字的状态。
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用于验证套接类型的 SO_TYPE 是只读可选项，因为**套接字类型只能在创建时决定，以后不能再更改**。
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#### 9.1.3 `SO_SNDBUF` & `SO_RCVBUF`
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创建套接字的同时会生成 I/O 缓冲。关于 I/O 缓冲，可以去看第五章。
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SO_RCVBUF 是输入缓冲大小相关可选项，SO_SNDBUF 是输出缓冲大小相关可选项。用这 2 个可选项既可以读取当前 I/O 大小，也可以进行更改。通过下列示例读取创建套接字时默认的 I/O 缓冲大小。
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- [get_buf.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch09/get_buf.c)
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编译运行：
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```shell
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gcc get_buf.c -o getbuf
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./getbuf
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```
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运行结果：
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```
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Input buffer size: 87380
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Output buffer size: 16384
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```
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可以看出本机的输入缓冲和输出缓冲大小。
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下面的代码演示了，通过程序设置 I/O 缓冲区的大小
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- [set_buf.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch09/set_buf.c)
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编译运行：
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```shell
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gcc set_buf.c -o setbuf
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./setbuf
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```
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结果:
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```
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Input buffer size: 6144
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Output buffer size: 6144
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```
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输出结果和我们预想的不是很相同，缓冲大小的设置需谨慎处理，因此不会完全按照我们的要求进行。
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### 9.2 `SO_REUSEADDR`
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#### 9.2.1 发生地址分配错误（Binding Error）
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在学习 SO_REUSEADDR 可选项之前，应该好好理解 Time-wait 状态。看以下代码的示例：
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- [reuseadr_eserver.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch09/reuseadr_eserver.c)
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这是一个回声服务器的服务端代码，可以配合第四章的 [echo_client.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch04/echo_client.c) 使用，在这个代码中，客户端通知服务器终止程序。在客户端控制台输入 Q 可以结束程序，向服务器发送 FIN 消息并经过四次握手过程。当然，输入 CTRL+C 也会向服务器传递 FIN 信息。强制终止程序时，由操作系统关闭文件套接字，此过程相当于调用 close 函数，也会向服务器发送 FIN 消息。
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这样看不到是什么特殊现象，考虑以下情况：
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> 服务器端和客户端都已经建立连接的状态下，向服务器控制台输入 CTRL+C ，强制关闭服务端
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如果用这种方式终止程序，如果用同一端口号再次运行服务端，就会输出「bind() error」消息，并且无法再次运行。但是在这种情况下，再过大约 3 分钟就可以重新运行服务端。
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#### 9.2.2 `Time-wait` 状态
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观察以下过程：
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假设图中主机 A 是服务器，因为是主机 A 向 B 发送 FIN 消息，故可想象成服务器端在控制台中输入 CTRL+C 。但是问题是，套接字经过四次握手后并没有立即消除，而是要经过一段时间的 Time-wait 状态。当然，只有先断开连接的（先发送 FIN 消息的）主机才经过 Time-wait 状态。因此，若服务器端先断开连接，则无法立即重新运行。套接字处在 Time-wait 过程时，相应端口是正在使用的状态。因此，就像之前验证过的，bind 函数调用过程中会发生错误。
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**实际上，不论是服务端还是客户端，都要经过一段时间的 Time-wait 过程。先断开连接的套接字必然会经过 Time-wait 过程，但是由于客户端套接字的端口是任意指定的，所以无需过多关注 Time-wait 状态。**
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那到底为什么会有 Time-wait 状态呢，在图中假设，主机 A 向主机 B 传输 ACK 消息（SEQ 5001 , ACK 7502 ）后立刻消除套接字。但是最后这条 ACK 消息在传递过程中丢失，没有传递主机 B ，这时主机 B 就会试图重传。但是此时主机 A 已经是完全终止状态，因此主机 B 永远无法收到从主机 A 最后传来的 ACK 消息。基于这些问题的考虑，所以要设计 Time-wait 状态。
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#### 9.2.3 地址再分配
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Time-wait 状态看似重要，但是不一定讨人喜欢。如果系统发生故障紧急停止，这时需要尽快重启服务器以提供服务，但因处于 Time-wait 状态而必须等待几分钟。因此，Time-wait 并非只有优点，这些情况下容易引发大问题。下图中展示了四次握手时不得不延长 Time-wait 过程的情况。
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从图上可以看出，在主机 A 四次握手的过程中，如果最后的数据丢失，则主机 B 会认为主机 A 未能收到自己发送的 FIN 信息，因此重传。这时，收到的 FIN 消息的主机 A 将重启 Time-wait 计时器。因此，如果网络状况不理想， Time-wait 将持续。
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解决方案就是在套接字的可选项中更改 SO_REUSEADDR 的状态。适当调整该参数，可将 Time-wait 状态下的套接字端口号重新分配给新的套接字。SO_REUSEADDR 的默认值为 0.这就意味着无法分配 Time-wait 状态下的套接字端口号。因此需要将这个值改成 1 。具体作法已在示例 [reuseadr_eserver.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch09/reuseadr_eserver.c) 给出，只需要把注释掉的东西解除注释即可。
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```c
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optlen = sizeof(option);
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option = TRUE;
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setsockopt(serv_sock, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, (void *)&option, optlen);
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```
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此时，已经解决了上述问题。
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### 9.3 `TCP_NODELAY`
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#### 9.3.1 `Nagle` 算法
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为了防止因数据包过多而发生网络过载，`Nagle` 算法诞生了。它应用于 TCP 层。它是否使用会导致如图所示的差异：
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图中展示了通过 `Nagle` 算法发送字符串 `Nagle` 和未使用 `Nagle` 算法的差别。可以得到一个结论。
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**只有接收到前一数据的 ACK 消息， `Nagle` 算法才发送下一数据。**
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TCP 套接字默认使用 `Nagle` 算法交换数据，因此最大限度的进行缓冲，直到收到 ACK 。左图也就是说一共传递 4 个数据包以传输一个字符串。从右图可以看出，发送数据包一共使用了 10 个数据包。由此可知，不使用 `Nagle` 算法将对网络流量产生负面影响。即使只传输一个字节的数据，其头信息都可能是几十个字节。因此，为了提高网络传输效率，必须使用 `Nagle` 算法。
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`Nagle` 算法并不是什么情况下都适用，网络流量未受太大影响时，不使用 `Nagle` 算法要比使用它时传输速度快。最典型的就是「传输大文件数据」。将文件数据传入输出缓冲不会花太多时间，因此，不使用 `Nagle` 算法，也会在装满输出缓冲时传输数据包。这不仅不会增加数据包的数量，反而在无需等待 ACK 的前提下连续传输，因此可以大大提高传输速度。
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所以，未准确判断数据性质时不应禁用 `Nagle` 算法。
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#### 9.3.2 禁用 `Nagle` 算法
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禁用 `Nagle` 算法应该使用：
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```c
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int opt_val = 1;
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setsockopt(sock, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, (void *)&opt_val, sizeof(opt_val));
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```
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通过 TCP_NODELAY 的值来查看`Nagle` 算法的设置状态。
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```c
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opt_len = sizeof(opt_val);
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getsockopt(sock, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, (void *)&opt_val, &opt_len);
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```
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如果正在使用`Nagle` 算法，那么 opt_val 值为 0，如果禁用则为 1.
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关于这个算法，可以参考这个回答：[TCP连接中启用和禁用TCP_NODELAY有什么影响？](https://www.zhihu.com/question/42308970/answer/246334766)
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### 9.4 基于 Windows 的实现
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暂略
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### 9.5 习题
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> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。
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1. **下列关于 Time-wait 状态的说法错误的是？**
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答：错误的说法是第 1、3、4 项。正确的说法是第 2 项（加粗显示）。
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1. ~~Time-wait 状态只在服务器的套接字中发生~~（错误：客户端先断开连接时也会进入 Time-wait 状态）
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2. **断开连接的四次握手过程中，先传输 FIN 消息的套接字将进入 Time-wait 状态。**（正确）
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3. ~~Time-wait 状态与断开连接的过程无关，而与请求连接过程中 SYN 消息的传输顺序有关~~（错误：Time-wait 状态与断开连接的四次握手过程直接相关）
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4. ~~Time-wait 状态通常并非必要，应尽可能通过更改套接字可选项来防止其发生~~（错误：Time-wait 状态对于保证 TCP 连接可靠关闭是必要的，但在某些紧急重启场景下可通过 SO_REUSEADDR 重用端口）
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2. **TCP_NODELAY 可选项与 Nagle 算法有关，可通过它禁用 Nagle 算法。请问何时应考虑禁用 Nagle 算法？结合收发数据的特性给出说明。**
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答：当网络流量未受太大影响时，不使用 Nagle 算法要比使用它时传输速度快，比如说在传输大文件时。
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