15 怎么老是出现“地址已经被使用”？

你好，我是盛延敏，这里是网络编程实战的第15讲，欢迎回来。

上一讲我们讲到UDP也可以像TCP一样，使用connect方法，以快速获取异步错误的信息。在今天的内容里，我们将讨论服务器端程序重启时，地址被占用的原因和解决方法。

我们已经知道，网络编程中，服务器程序需要绑定本地地址和一个端口，然后就监听在这个地址和端口上，等待客户端连接的到来。在实战中，你可能会经常碰到一个问题，当服务器端程序重启之后，总是碰到“Address in use”的报错信息，服务器程序不能很快地重启。那么这个问题是如何产生的？我们又该如何避免呢？

今天我们就来讲一讲这个“地址已经被使用”的问题。

从例子开始

为了引入讨论，我们从之前讲过的一个TCP服务器端程序开始说起：

static int count;

static void sig_int(int signo) {
    printf("\nreceived %d datagrams\n", count);
    exit(0);
}

int main(int argc, char **argv) {
    int listenfd;
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);

    int rt1 = bind(listenfd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));
    if (rt1 < 0) {
        error(1, errno, "bind failed ");
    }

    int rt2 = listen(listenfd, LISTENQ);
    if (rt2 < 0) {
        error(1, errno, "listen failed ");
    }

    signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

    int connfd;
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);

    if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_len)) < 0) {
        error(1, errno, "bind failed ");
    }

    char message[MAXLINE];
    count = 0;

    for (;;) {
        int n = read(connfd, message, MAXLINE);
        if (n < 0) {
            error(1, errno, "error read");
        } else if (n == 0) {
            error(1, 0, "client closed \n");
        }
        message[n] = 0;
        printf("received %d bytes: %s\n", n, message);
        count++;
    }
}

这个服务器端程序绑定到一个本地端口，使用的是通配地址ANY，当连接建立之后，从该连接中读取输入的字符流。

启动服务器，之后我们使用Telnet登录这个服务器，并在屏幕上输入一些字符，例如：network，good。

和我们期望的一样，服务器端打印出Telnet客户端的输入。在Telnet端关闭连接之后，服务器端接收到EOF，也顺利地关闭了连接。服务器端也可以很快重启，等待新的连接到来。

 $./addressused 
 received 9 bytes: network
 received 6 bytes: good
 client closed
 $./addressused

接下来，我们改变一下连接的关闭顺序。和前面的过程一样，先启动服务器，再使用Telnet作为客户端登录到服务器，在屏幕上输入一些字符。注意接下来的不同，我不会在Telnet端关闭连接，而是直接使用Ctrl+C的方式在服务器端关闭连接。

$telnet 127.0.0.1 9527
network
bad
Connection closed by foreign host.

我们看到，连接已经被关闭，Telnet客户端也感知连接关闭并退出了。接下来，我们尝试重启服务器端程序。你会发现，这个时候服务端程序重启失败，报错信息为：bind failed: Address already in use。

 $./addressused 
 received 9 bytes: network
 received 6 bytes: good
 client closed
 $./addressused
 bind faied: Address already in use(98)

复习TIME_WAIT

那么，这个错误到底是怎么发生的呢？

还记得第10篇文章里提到的TIME_WAIT么？当连接的一方主动关闭连接，在接收到对端的FIN报文之后，主动关闭连接的一方会在TIME_WAIT这个状态里停留一段时间，这个时间大约为2MSL。如果你对此有点淡忘，没有关系，我在下面放了一张图，希望会唤起你的记忆。

如果我们此时使用netstat去查看服务器程序所在主机的TIME_WAIT的状态连接，你会发现有一个服务器程序生成的TCP连接，当前正处于TIME_WAIT状态。这里9527是本地监听端口，36650是telnet客户端端口。当然了，Telnet客户端端口每次也会不尽相同。

通过服务器端发起的关闭连接操作，引起了一个已有的TCP连接处于TME_WAIT状态，正是这个TIME_WAIT的连接，使得服务器重启时，继续绑定在127.0.0.1地址和9527端口上的操作，返回了Address already in use的错误。

重用套接字选项

我们知道，一个TCP连接是通过四元组（源地址、源端口、目的地址、目的端口）来唯一确定的，如果每次Telnet客户端使用的本地端口都不同，就不会和已有的四元组冲突，也就不会有TIME_WAIT的新旧连接化身冲突的问题。

事实上，即使在很小的概率下，客户端Telnet使用了相同的端口，从而造成了新连接和旧连接的四元组相同，在现代Linux操作系统下，也不会有什么大的问题，原因是现代Linux操作系统对此进行了一些优化。

第一种优化是新连接SYN告知的初始序列号，一定比TIME_WAIT老连接的末序列号大，这样通过序列号就可以区别出新老连接。

第二种优化是开启了tcp_timestamps，使得新连接的时间戳比老连接的时间戳大，这样通过时间戳也可以区别出新老连接。

在这样的优化之下，一个TIME_WAIT的TCP连接可以忽略掉旧连接，重新被新的连接所使用。

这就是重用套接字选项，通过给套接字配置可重用属性，告诉操作系统内核，这样的TCP连接完全可以复用TIME_WAIT状态的连接。代码片段已经放在文章中了：

int on = 1;
setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on));

SO_REUSEADDR套接字选项，允许启动绑定在一个端口，即使之前存在一个和该端口一样的连接。前面的例子已经表明，在默认情况下，服务器端历经创建socket、bind和listen重启时，如果试图绑定到一个现有连接上的端口，bind操作会失败，但是如果我们在创建socket和bind之间，使用上面的代码片段设置SO_REUSEADDR套接字选项，情况就会不同。

下面我们对原来的服务器端代码进行升级，升级的部分主要在11-12行，在bind监听套接字之前，调用setsockopt方法，设置重用套接字选项：

int main(int argc, char **argv) {
    int listenfd;
    listenfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);

    int on = 1;
    setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on));

    int rt1 = bind(listenfd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));
    if (rt1 < 0) {
        error(1, errno, "bind failed ");
    }

    int rt2 = listen(listenfd, LISTENQ);
    if (rt2 < 0) {
        error(1, errno, "listen failed ");
    }

    signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

    int connfd;
    struct sockaddr_in client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);

    if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_len)) < 0) {
        error(1, errno, "bind failed ");
    }

    char message[MAXLINE];
    count = 0;

    for (;;) {
        int n = read(connfd, message, MAXLINE);
        if (n < 0) {
            error(1, errno, "error read");
        } else if (n == 0) {
            error(1, 0, "client closed \n");
        }
        message[n] = 0;
        printf("received %d bytes: %s\n", n, message);
        count++;
    }
}

重新编译过后，重复上面那个例子，先启动服务器，再使用Telnet作为客户端登录到服务器，在屏幕上输入一些字符，使用Ctrl+C的方式在服务器端关闭连接。马上尝试重启服务器，这个时候我们发现，服务器正常启动，没有出现Address already in use的错误。这说明我们的修改已经起作用。

 $./addressused2 
 received 9 bytes: network
 received 6 bytes: good
 client closed
 $./addressused2

SO_REUSEADDR套接字选项还有一个作用，那就是本机服务器如果有多个地址，可以在不同地址上使用相同的端口提供服务。

比如，一台服务器有192.168.1.101和10.10.2.102两个地址，我们可以在这台机器上启动三个不同的HTTP服务，第一个以本地通配地址ANY和端口80启动；第二个以192.168.101和端口80启动；第三个以10.10.2.102和端口80启动。

这样目的地址为192.168.101，目的端口为80的连接请求会被发往第二个服务；目的地址为10.10.2.102，目的端口为80的连接请求会被发往第三个服务；目的端口为80的所有其他连接请求被发往第一个服务。

我们必须给这三个服务设置SO_REUSEADDR套接字选项，否则第二个和第三个服务调用bind绑定到80端口时会出错。

最佳实践

这里的最佳实践可以总结成一句话：服务器端程序，都应该设置SO_REUSEADDR套接字选项，以便服务端程序可以在极短时间内复用同一个端口启动。

有些人可能觉得这不是安全的。其实，单独重用一个套接字不会有任何问题。我在前面已经讲过，TCP连接是通过四元组唯一区分的，只要客户端不使用相同的源端口，连接服务器是没有问题的，即使使用了相同的端口，根据序列号或者时间戳，也是可以区分出新旧连接的。

而且，TCP的机制绝对不允许在相同的地址和端口上绑定不同的服务器，即使我们设置SO_REUSEADDR套接字选项，也不可能在ANY通配符地址下和端口9527上重复启动两个服务器实例。如果我们启动第二个服务器实例，不出所料会得到Address already in use的报错，即使当前还没有任何一条有效TCP连接产生。

比如下面就是第二次运行服务器端程序的报错信息：

 $./addressused2
 bind faied: Address already in use(98)

你可能还记得第10讲中，我们提到过一个叫做tcp_tw_reuse的内核配置选项，这里又提到了SO_REUSEADDR套接字选择，你会不会觉得两个有点混淆呢？

其实，这两个东西一点关系也没有。

tcp_tw_reuse是内核选项，主要用在连接的发起方。TIME_WAIT状态的连接创建时间超过1秒后，新的连接才可以被复用，注意，这里是连接的发起方；
SO_REUSEADDR是用户态的选项，SO_REUSEADDR选项用来告诉操作系统内核，如果端口已被占用，但是TCP连接状态位于TIME_WAIT ，可以重用端口。如果端口忙，而TCP处于其他状态，重用端口时依旧得到“Address already in use”的错误信息。注意，这里一般都是连接的服务方。

总结

今天我们分析了“Address already in use”产生的原因和解决方法。你只要记住一句话，在所有TCP服务器程序中，调用bind之前请设置SO_REUSEADDR套接字选项。这不会产生危害，相反，它会帮助我们在很快时间内重启服务端程序，而这一点恰恰是很多场景所需要的。

思考题

跟往常一样，给你布置两道思考题：

第一道，之前我们看到的例子，都是对TCP套接字设置SO_REUSEADDR套接字选项，你知道吗，我们也可以对UDP设置SO_REUSEADDR套接字选项。那么问题来了，对UDP来说，设置SO_REUSEADDR套接字选项有哪些场景和好处呢？

第二道，在服务器端程序中，设置SO_REUSEADDR套接字选项时，需要在bind函数之前对监听字进行设置，想一想，为什么不是对已连接的套接字进行设置呢？

欢迎你在评论区写下你的思考，我会和你一起讨论交流，也欢迎把这篇文章分享给你的朋友或者同事，一起交流一下。

精选留言（15）

J.M.Liu 👍（88） 💬（4）
关于tcp_tw_reuse和SO_REUSEADDR的区别，可以概括为：tcp_tw_reuse是为了缩短time_wait的时间，避免出现大量的time_wait链接而占用系统资源，解决的是accept后的问题；SO_REUSEADDR是为了解决time_wait状态带来的端口占用问题，以及支持同一个port对应多个ip，解决的是bind时的问题。
2019-09-07

xupeng1644 👍（29） 💬（1）
老师思考题第二题的答案是什么啊
2020-01-15

G先生 👍（22） 💬（2）
UDP的SO_REUSEADDR使用场景比较多的是组播网络，好处是，如我们在接收组播流的时候，比如用ffmpeg拉取了一个组播流，但是还想用ffmpeg拉取相同的组播流，这个时候就需要地址重用了
2019-10-13

惘闻 👍（15） 💬（4）
老师我有个疑问，这里的服务器直接关闭了连接，在关闭连接之前发送了FIN报文，此时就已经关闭了吧？所以就收不到客户端回复的ack以及客户端的fin了，连接关闭发起方还未走到接收对端发送的fin的那一步，此时也会进入timewait阶段吗？
2020-09-11

HerofH 👍（9） 💬（1）
老师您好，我有个疑问，根据我的理解，TIME_WAIT是主动关闭方才会存在的状态，而服务端很多时候都是被动关闭方，为什么也会有TIME_WAIT状态呢？还是说服务端套接字设置SO_REUSEADDR只是用于服务端主动关闭的情况（比如快速重启）呢？
2019-12-26

海盗船长 👍（7） 💬（3）
老师是不是Address already in use。我最长等待2msl时间后重启就不会有问题啦？
2020-04-10

vv_test 👍（5） 💬（2）
TCP 的机制绝对不允许在相同的地址和端口上绑定不同的服务器。老师您好请问一下，Nginx 的master跟woker都是监听80端口，他们都有各自的进程号。那他们这种为什么可以多次绑定的
2021-06-12

pc 👍（3） 💬（1）
老师有几个疑问～ 1、对于客户端理论上也会发生Address already in use 的错误吧？（当没有SO_REUSEADDR、端口也重复了时）是在connect的时候报错吗？ 2、“一个 TCP 连接是通过四元组(源地址、源端口、目的地址、目的端口)来唯一确定”--这句话不是很理解，对于服务端bind的时候不是没有目的地址吗？难道是在accept的时候报错吗？可是accept时候不是阻塞等待客户端连接吗？没有很理清楚....
2020-06-03

凌空飞起的剪刀腿 👍（2） 💬（1）
第一道，之前我们看到的例子，都是对 TCP 套接字设置 SO_REUSEADDR 套接字选项，你知道吗，我们也可以对 UDP 设置 SO_REUSEADDR 套接字选项。那么问题来了，对 UDP 来说，设置 SO_REUSEADDR 套接字选项有哪些场景和好处呢？ UDP的SO_REUSEADDR使用场景比较多的是组播网络，好处是，如我们在接收组播流的时候，比如用ffmpeg拉取了一个组播流，但是还想用ffmpeg拉取相同的组播流，这个时候就需要地址重用了第二道，在服务器端程序中，设置 SO_REUSEADDR 套接字选项时，需要在 bind 函数之前对监听字进行设置，想一想，为什么不是对已连接的套接字进行设置呢？因为SO_REUSEADDR是针对新建立的连接才起作用，对已建立的连接设置是无效的。
2021-05-20

linker 👍（2） 💬（1）
听完之后，程序也做了调试，但是一周又忘记了，看来还是得反复听，反复练习啊！
2020-03-21

林林 👍（2） 💬（4）
老师，我们项目也存在服务器无法快速重启的问题，然而底层代码不开放，无法加上so_reuseaddr，不知道有没有其他办法可以解决？
2019-11-01

不动声色满心澎湃 👍（2） 💬（1）
老师有个疑问想问下：如果我的服务器是双网卡。一个192.168.1.220 一个是192.68.1.221 然后我让220和端口8010 处于time_wait状态，这个时候再用221和8010去启动一个程序，那会报addr in use吗
2019-09-04

nil 👍（2） 💬（1）
学生时代写网络编程作业，调试的时候经常有遇到这个问题，然后通过每次改变端口号绕过这个问题。想想当时遇到问题一知半解，也不知道去寻找根本原因，哈哈哈，估计心思都在完成作业上，而根本不是想要掌握这个技术底层的原理
2019-09-04

传说中的成大大 👍（2） 💬（1）
我竟然是沙发第一问: 百度出来的针对udp是允许完全的重复的捆绑就是是udp允许把ip地址绑定到多个套接口上,大概是为了在同一机器上运行多个多播程序的情况下,具体的实例却想不出来 2. 因为我觉得bind函数时告诉内核我要监听这个ip地址和端口是在内核层的事情, 如果bind过后再进行设置套接字选项的话虽然是在应用层对套接字进行了修改,但是没告诉内核,这个地址需要避开timewait状态直接重用,大意就是没有影响到内核的处理
2019-09-04

test 👍（1） 💬（2）
所以现在等待2MSL都是没用的了是么？
2020-08-12