java linux 調用32位so_從linux源碼看socket(tcp)的timeout

從linux源碼看socket(tcp)的timeout

前言

網絡編程中超時時間是一個重要但又容易被忽略的問題,對其的設置需要仔細斟酌。在經歷了數次物理機宕機之后,筆者詳細的考察了在網絡編程(tcp)中的各種超時設置，于是就有了本篇博文。本文大部分討論的是socket設置為block的情況,即setNonblock(false)，僅在最后提及了nonblock socket(本文基于linux 2.6.32-431內核)。

connectTimeout

在討論connectTimeout之前，讓我們先看下java和C語言對于socket connect調用的函數簽名:

java:
 // 函數調用中攜帶有超時時間
 public void connect(SocketAddress endpoint, int timeout) ;
C語言:
 // 函數調用中并不攜帶超時時間
 int connect(int sockfd, const struct sockaddr * sockaddr, socklen_t socklent)

操作系統提供的connect系統調用并沒有提供timeout的參數設置而java卻有，我們先考察一下原生系統調用的超時策略。

connect系統調用

我們觀察一下此系統調用的kernel源碼，調用棧如下所示:

connect[用戶態]
    |->SYSCALL_DEFINE3(connect)[內核態]
            |->sock->ops->connect

由于我們考察的是tcp的connect,其socket的內部結構如下圖所示:1e365d54fb7dadf3d19ea14aa4260c6c.png
最終調用的是tcp_connect,代碼如下所示:

int tcp_connect(struct sock *sk) {
    ......
    // 發送SYN
    err = tcp_transmit_skb(sk, buff, 1, sk->sk_allocation);
    ...
    /* Timer for repeating the SYN until an answer. */
    // 由于是剛建立連接，所以其rto是TCP_TIMEOUT_INIT
    inet_csk_reset_xmit_timer(sk, ICSK_TIME_RETRANS,
                inet_csk(sk)->icsk_rto, TCP_RTO_MAX);
    return 0;
}

又上面代碼可知，在tcp_connect設置了重傳定時器之后return回了tcp_v4_connect再return到inet_stream_connect。我們繼續考察:

int inet_stream_connect(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr,
            int addr_len, int flags)
{
    ......
    // tcp_v4_connect=>tcp_connect
    err = sk->sk_prot->connect(sk, uaddr, addr_len);
    // 這邊用的是sk->sk_sndtimeo
    timeo = sock_sndtimeo(sk, flags & O_NONBLOCK);
    ......
    inet_wait_for_connect(sk, timeo));
    ......
out:
    release_sock(sk);
    return err;

sock_error:
    err = sock_error(sk) ? : -ECONNABORTED;
    sock->state = SS_UNCONNECTED;
    if (sk->sk_prot->disconnect(sk, flags))
        sock->state = SS_DISCONNECTING;
    goto out
}

由上面代碼可見，可以采用設置SO_SNDTIMEO來控制connect系統調用的超時,如下所示:

setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDTIMEO, &timeout, len);

不設置SO_SNDTIMEO

如果不設置SO_SNDTIMEO,那么會由tcp重傳定時器在重傳超過設置的時候后超時,如下圖所示:

e8398c64ac20f2e70bb0a096f0de2dcd.png
這個syn重傳的次數由:

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_syn_retries 筆者機器上是5

來決定。那么我們就來看一下這個重傳到底是多長時間:

tcp_connect中:
        // 設置的初始超時時間為icsk_rto=TCP_TIMEOUT_INIT為1s
        inet_csk_reset_xmit_timer(sk, ICSK_TIME_RETRANS,
                inet_csk(sk)->icsk_rto, TCP_RTO_MAX);

其重傳定時器的回掉函數為tcp_retransmit_timer:

void tcp_retransmit_timer(struct sock *sk)
{
    ......
    // 檢測是否超時
    if (tcp_write_timeout(sk))
        goto out;
    ......
    // icsk_rto = icsk_rto * 2,由于syn階段，所以isck_rto不會由于網絡傳輸而改變
    // 重傳的時候會以1,2,4,8指數遞增
    icsk->icsk_rto = min(icsk->icsk_rto << 1, TCP_RTO_MAX);
    // 重設timer
    inet_csk_reset_xmit_timer(sk, ICSK_TIME_RETRANS, icsk->icsk_rto, TCP_RTO_MAX);
out:;
}

而計算tcp_write_timeout的邏輯則是在這篇blog中已經詳細描述過,

https://my.oschina.net/alchemystar/blog/1936433

只不過在connect時刻，重傳的計算以TCP_TIMEOUT_INIT為單位進行計算。而ESTABLISHED(read/write)時刻，重傳以TCP_RTO_MIN進行計算。那么根據這段重傳邏輯，我們就可以計算出不同tcp_syn_retries最終表現的超時時間。如下圖所示:

4055478bed6e83f001da695b1d1d3379.png
那么整理下表格，對于系統調用，connect的超時時間為:

tcp_syn_retriestimeout
1min(so_sndtimeo,3s)
2min(so_sndtimeo,7s)
3min(so_sndtimeo,15s)
4min(so_sndtimeo,31s)
5min(so_sndtimeo,63s)

上述超時時間和筆者的實測一致。

推薦一本書

這本書教你怎么用wireshark來分析網絡問題，非常有意思，而且很薄~

kernel代碼版本細微變化

值得注意的是，linux本身官方發布的2.6.32源碼對于tcp_syn_retries2的解釋和RFC并不一致(至少筆者閱讀的代碼如此，這個細微的變化困擾了筆者好久，筆者下載了和機器對應的內核版本后才發現代碼改了)。而redhat發布的2.6.32-431已經修復了這個問題(不清楚具體哪個小版本修改的)，并將初始RTO設置為1s(官方2.6.32為3s)。這也是，不同內核小版本上的實驗會有不同的connect timeout表現的原因(有的抓包到的重傳SYN時間間隔為3,6,12……)。以下為代碼對比:

========================>linux 內核版本2.6.32-431<========================
#define TCP_TIMEOUT_INIT ((unsigned)(1*HZ))    /* RFC2988bis initial RTO value    */

static inline bool retransmits_timed_out(struct sock *sk,
                     unsigned int boundary,
                     unsigned int timeout,
                     bool syn_set)
{
    ......
    unsigned int rto_base = syn_set ? TCP_TIMEOUT_INIT : TCP_RTO_MIN;
    ......
    timeout = ((2 << boundary) - 1) * rto_base;
    ......

}
========================>linux 內核版本2.6.32.63<========================
#define TCP_TIMEOUT_INIT ((unsigned)(3*HZ))    /* RFC 1122 initial RTO value    */

static inline bool retransmits_timed_out(struct sock *sk,
                     unsigned int boundary
{
    ......
    timeout = ((2 << boundary) - 1) * TCP_RTO_MIN;
    ......
}

另外，tcp_syn_retries重傳次數可以在單個socket中通過setsockopt設置。

JAVA connect API

現在我們考察下java的connect api,其connect最終調用下面的代碼:

Java_java_net_PlainSocketImpl_socketConnect(...){

    if (timeout <= 0) {
         ......
        connect_rv = NET_Connect(fd, (struct sockaddr *)&him, len);
         .....
    }else{
         // 如果timeout > 0 ，則設置為nonblock模式
        SET_NONBLOCKING(fd);
        /* no need to use NET_Connect as non-blocking */
        connect_rv = connect(fd, (struct sockaddr *)&him, len);
        /*
         * 這邊用系統調用select來模擬阻塞調用超時
         */
        while (1) {
            ......
            struct timeval t;
            t.tv_sec = timeout / 1000;
            t.tv_usec = (timeout % 1000) * 1000;
            connect_rv = NET_Select(fd+1, 0, &wr, &ex, &t);
            ......
        }
        ......
        // 重新設置為阻塞模式
        SET_BLOCKING(fd);
        ......
    }
}

其和connect系統調用的不同點是，在timeout為0的時候，走默認的系統調用不設置超時時間的邏輯。在timeout>0時，將socket設置為非阻塞，然后用select系統調用去模擬超時,而沒有走linux本身的超時邏輯，如下圖所示:3ca34bf15bd7a1af6fc8e6275c372ca7.png
由于沒有java并沒有設置so_sndtimeo的選項，所以在timeout為0的時候，直接就通過重傳次數來控制超時時間。而在調用connect時設置了timeout(不為0)的時候,超時時間如下表格所示:

tcp_syn_retriestimeout
1min(timeout,3s)
2min(timeout,7s)
3min(timeout,15s)
4min(timeout,31s)
5min(timeout,63s)

socketTimeout

write系統調用的超時時間

socket的write系統調用最后調用的是tcp_sendmsg,源碼如下所示:

int tcp_sendmsg(struct kiocb *iocb, struct socket *sock, struct msghdr *msg,
        size_t size){
    ......
    timeo = sock_sndtimeo(sk, flags & MSG_DONTWAIT);
    ......
    while (--iovlen >= 0) {
        ......
        // 此種情況是buffer不夠了
        if (copy <= 0) {
    new_segment:
          ......
          if (!sk_stream_memory_free(sk))
              goto wait_for_sndbuf;

          skb = sk_stream_alloc_skb(sk, select_size(sk),sk->sk_allocation);
          if (!skb)
              goto wait_for_memory;
        }
        ......
    }
    ......
    // 這邊等待write buffer有空間
wait_for_sndbuf:
        set_bit(SOCK_NOSPACE, &sk->sk_socket->flags);
wait_for_memory:
        if (copied)
            tcp_push(sk, flags & ~MSG_MORE, mss_now, TCP_NAGLE_PUSH);
            // 這邊等待timeo長的時間
        if ((err = sk_stream_wait_memory(sk, &timeo)) != 0)
            goto do_error;
        ......
out:
    // 如果拷貝了數據，則返回
    if (copied)
        tcp_push(sk, flags, mss_now, tp->nonagle);
    TCP_CHECK_TIMER(sk);
    release_sock(sk);
    return copied;
out_err:
    // error的處理
    err = sk_stream_error(sk, flags, err);
    TCP_CHECK_TIMER(sk);
    release_sock(sk);
    return err;
}

從上面的內核代碼看出，如果socket的write buffer依舊有空間的時候，會立馬返回，并不會有timeout。但是write buffer不夠的時候，會等待SO_SNDTIMEO的時間(nonblock時候為0)。但是如果SO_SNDTIMEO沒有設置的時候,默認初始化為MAX_SCHEDULE_TIMEOUT,可以認為其超時時間為無限。那么其超時時間會有另一個條件來決定，我們看下sk_stream_wait_memory的源碼:

int sk_stream_wait_memory(struct sock *sk, long *timeo_p){
        // 等待socket shutdown或者socket出現err
        sk_wait_event(sk, &current_timeo, sk->sk_err ||
                          (sk->sk_shutdown & SEND_SHUTDOWN) ||
                          (sk_stream_memory_free(sk) &&
                          !vm_wait));
}

在write等待的時候，如果出現socket被shutdown或者socket出現錯誤的時候，則會跳出wait進而返回錯誤。在不考慮對端shutdown的情況下,出現sk_err的時間其實就是其write的timeout時間,那么我們看下什么時候出現sk->sk_err。

SO_SNDTIMEO不設置,write buffer滿之后ack一直不返回的情況(例如，物理機宕機)

物理機宕機后，tcp發送msg的時候,ack不會返回，則會在重傳定時器tcp_retransmit_timer到期后timeout,其重傳到期時間通過tcp_retries2以及TCP_RTO_MIN計算出來。其源碼可見筆者的blog:

https://my.oschina.net/alchemystar/blog/1936433

tcp_retries2的設置位置為:

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_retries2 筆者機器上是5,默認是15

SO_SNDTIMEO不設置,write buffer滿之后對端不消費，導致buffer一直滿的情況

和上面ack超時有些許不一樣的是，一個邏輯是用TCP_RTO_MIN通過tcp_retries2計算出來的時間。另一個是真的通過重傳超過tcp_retries2次數來time_out，兩者的區別和rto的動態計算有關。但是可以大致認為是一致的。

上述邏輯如下圖所示:

f1e492f875be9185361c341caa4f4cd0.png

write_timeout表格

tcp_retries2buffer未滿buffer滿
5立即返回min(SO_SNDTIMEO,(25.6s-51.2s)根據動態rto定
15立即返回min(SO_SNDTIMEO,(924.6s-1044.6s)根據動態rto定

java的SocketOutputStream的sockWrite0超時時間

java的sockWrite0沒有設置超時時間的地方，同時也沒有設置過SO_SNDTIMEOUT，其直接調用了系統調用,所以其超時時間和write系統調用保持一致。

readTimeout

ReadTimeout可能是最容易導致問題的地方。我們先看下系統調用的源碼:

read系統調用

socket的read系統調用最終調用的是tcp_recvmsg, 其源碼如下:

int tcp_recvmsg(struct kiocb *iocb, struct sock *sk, struct msghdr *msg,
        size_t len, int nonblock, int flags, int *addr_len)
{
    ......
    // 這邊timeo=SO_RCVTIMEO
    timeo = sock_rcvtimeo(sk, nonblock);
    ......
    do{
        ......
        // 下面這一堆判斷表明，如果出現錯誤,或者已經被CLOSE/SHUTDOWN則跳出循環
        if(copied) {
            if (sk->sk_err ||
                sk->sk_state == TCP_CLOSE ||
                (sk->sk_shutdown & RCV_SHUTDOWN) ||
                !timeo ||
                signal_pending(current))
                break;
        } else {
            if (sock_flag(sk, SOCK_DONE))
                break;

            if (sk->sk_err) {
                copied = sock_error(sk);
                break;
            }
            // 如果socket shudown跳出
            if (sk->sk_shutdown & RCV_SHUTDOWN)
                break;
            // 如果socket close跳出
            if (sk->sk_state == TCP_CLOSE) {
                if (!sock_flag(sk, SOCK_DONE)) {
                    /* This occurs when user tries to read
                     * from never connected socket.
                     */
                    copied = -ENOTCONN;
                    break;
                }
                break;
            }
            .......
        }
        .......

        if (copied >= target) {
            /* Do not sleep, just process backlog. */
            release_sock(sk);
            lock_sock(sk);
        } else /* 如果沒有讀到target自己數(和水位有關,可以暫認為是1)，則等待SO_RCVTIMEO的時間 */
            sk_wait_data(sk, &timeo);
    } while (len > 0);
    ......
}

上面的邏輯如下圖所示:5c2df5e64cd4f5934babec82817a5788.png
重傳以及探測定時器timeout事件的觸發時機如下圖所示:181b467eb8d5a05f07e02ff0876249bb.png
如果內核層面ack正常返回而且對端窗口不為0，僅僅應用層不返回任何數據,那么就會無限等待，直到對端有數據或者socket close/shutdown為止，如下圖所示:aba4be23186fefa6cd6b2d63ac8d1f96.png
很多應用就是基于這個無限超時來設計的,例如activemq的消費者邏輯。

java的SocketInputStream的sockRead0超時時間

java的超時時間由SO_TIMOUT決定，而linux的socket并沒有這個選項。其sockRead0和上面的java connect一樣，在SO_TIMEOUT>0的時候依舊是由nonblock socket模擬,在此就不再贅述了。

ReadTimeout超時表格

C系統調用:

tcp_retries2對端無響應對端內核響應正常
5min(SO_RCVTIMEO,(25.6s-51.2s)根據動態rto定SO_RCVTIMEO==0?無限,SO_RCVTIMEO)
15min(SO_RCVTIMEO,(924.6s-1044.6s)根據動態rto定SO_RCVTIMEO==0?無限,SO_RCVTIMEO)

Java系統調用

tcp_retries2對端無響應對端內核響應正常
5min(SO_TIMEOUT,(25.6s-51.2s)根據動態rto定SO_TIMEOUT==0?無限,SO_RCVTIMEO
15min(SO_TIMEOUT,(924.6s-1044.6s)根據動態rto定SO_TIMEOUT==0?無限,SO_RCVTIMEO

對端物理機宕機之后的timeout

對端物理機宕機后還依舊有數據發送

對端物理機宕機時對端內核也gg了(不會發出任何包通知宕機)，那么本端發送任何數據給對端都不會有響應。其超時時間就由上面討論的
min(設置的socket超時[例如SO_TIMEOUT],內核內部的定時器超時來決定)。

對端物理機宕機后沒有數據發送，但在read等待

這時候如果設置了超時時間timeout，則在timeout后返回。但是，如果僅僅是在read等待，由于底層沒有數據交互，那么其無法知道對端是否宕機，所以會一直等待。但是，內核會在一個socket兩個小時都沒有數據交互情況下(可設置)啟動keepalive定時器來探測對端的socket。如下圖所示:6fa730360265d10eb61af0127114f25b.png
大概是2小時11分鐘之后會超時返回。keepalive的設置由內核參數指定：

cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_time 7200 即兩個小時后開始探測
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalive_intvl 75 即每次探測間隔為75s
cat /proc/sys/net/ipv4/tcp_keepalve_probes 9 即一共探測9次

可以在setsockops中對單獨的socket指定是否啟用keepalive定時器(java也可以)。

對端物理機宕機后沒有數據發送，也沒有read等待

和上面同理，也是在keepalive定時器超時之后，將連接close。所以我們可以看到一個不活躍的socket在對端物理機突然宕機之后,依舊是ESTABLISHED狀態，過很長一段時間之后才會關閉。

進程宕后的超時

如果僅僅是對端進程宕機的話(進程所在內核會close其所擁有的所有socket)，由于fin包的發送，本端內核可以立刻知道當前socket的狀態。如果socket是阻塞的，那么將會在當前或者下一次write/read系統調用的時候返回給應用層相應的錯誤。如果是nonblock，那么會在select/epoll中觸發出對應的事件通知應用層去處理。
如果fin包沒發送到對端，那么在下一次write/read的時候內核會發送reset包作為回應。

nonblock

設置為nonblock=true后，由于read/write都是立刻返回，且通過select/epoll等處理重傳超時/probe超時/keep alive超時/socket close等事件，所以根據應用層代碼決定其超時特性。定時器超時事件發生的時間如上面幾小節所述，和是否nonblock無關。nonblock的編程模式可以讓應用層對這些事件做出響應。

總結

網絡編程中超時時間是個重要但又容易被忽略的問題，這個問題只有在遇到物理機宕機等平時遇不到的現象時候才會凸顯。筆者在經歷數次物理機宕機之后才好好的研究了一番，希望本篇文章可以對讀者在以后遇到類似超時問題時有所幫助。

推薦一本書，這本書教你怎么用wireshark來分析網絡問題，非常有意思，而且很薄~

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<div style"text-align: center;"> <p style"font-size: 18px;color: rgb(255, 79, 121);">添加微信號</p> <span style"font-size: 18px;margin-left: 10%;" id"cod">jyl88jimei</span><br /> &…
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SecureCRT向多個tab窗口發命令

SecureCRT向多個tab窗口發命令

可以利用SecureCRT的 Chat Windows選項Send chat to all tabs來同時在服務器上執行相同的命令&#xff0c;具體步驟如下&#xff1a; 一、首先在SecureCRT里同時打開多個服務器session 二、選擇菜單欄View -->Chat Windows 對號&#xff0c;此時所有服務器連接下方應該有個…
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英雄聯盟怎么解除小窗口_英雄聯盟手游怎么加好友_英雄聯盟手游怎么加好友一起玩_資訊...

英雄聯盟怎么解除小窗口_英雄聯盟手游怎么加好友_英雄聯盟手游怎么加好友一起玩_資訊...

英雄聯盟手游是騰訊聯合英雄聯盟開發商拳頭開發的英雄聯盟手游。不僅能夠高度還原端游的經典操作和競技體驗&#xff0c;也具有非常多創新的元素&#xff0c;對于英雄聯盟的全球生態布局具有重要意義。英雄聯盟手游游戲中有非常多的英雄可以供玩家選擇&#xff0c;并且擁有排位…
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jfinal mysql 配置文件_JFinal 如何將操作日志存入到數據庫中

jfinal mysql 配置文件_JFinal 如何將操作日志存入到數據庫中

展開全部操作日志, 也分粗細顆粒.比如常見的 配置JFinal的Handler, 配置LogHandler的處理器&#xff0c;Handler可以接管所有web請求, 這里可以做粗顆粒的處理, 對每一個請62616964757a686964616fe59b9ee7ad9431333365653839求做入庫處理, 如果訪問量大時, 入庫操作做列隊處理就…
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快速入門python_一天快速入門 Python

快速入門python_一天快速入門 Python

Python 是由Guido Van Rossum在 90 年代早期設計&#xff0c;現在是最常用的編程語言之一。特別是人工智能的火熱&#xff0c;再加之它的語法簡潔且優美&#xff0c;實乃初學者入門AI必備的編程語言。作者 | yuquanle責編 | 屠敏Python基本語法標識符第一個字符必須是英文字母或…
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Sonar與jenkins集成

Sonar與jenkins集成

2019獨角獸企業重金招聘Python工程師標準>>> 參考文檔&#xff1a;http://blog.csdn.net/kefengwang/article/details/54377055 一.下載&#xff1a;wget https://fossies.org/linux/misc/sonarqube-7.0.zip 二.配置sonar.properties ## sudo vim /opt/sonarqube-6.…
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python變量和常量_5、python的變量和常量

python變量和常量_5、python的變量和常量

今天看看python的變量和常量&#xff0c;這是python中最基本的兩個概念。首先先說一下解釋器執行Python的過程&#xff1a; python3 C:\test.py1. 啟動python解釋器(內存中)2. 將C:\test.py內容從硬盤讀入內存(這一步與文本編輯器是一樣的)3. 執行讀入內存的代碼如果想要永久…
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eplan連接定義點不顯示_EPLAN電氣圖實例--控制柜（控制面板）

eplan連接定義點不顯示_EPLAN電氣圖實例--控制柜（控制面板）

EPLAN電氣圖實例--控制柜(控制面板)上期回顧(上期主要畫了硬件的布局圖)&#xff1a;這期主要畫一個控制面板控制柜布局1.0 上期主要做了一個長方形的結構板&#xff0c;里面插入了一個結構盒&#xff0c;然后放置一個HMI的宏(這里是KTP1000&#xff0c;在官網隨便找下就行了)&…
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virtualbox安裝android6.0并設置分辨率為1920x1080x32

virtualbox安裝android6.0并設置分辨率為1920x1080x32

下載安裝&#xff1a;https://www.cnblogs.com/wynn0123/p/6288344.html 這里我做的是下載android6.0-64bit&#xff0c;然后文件系統只支持ext4 安裝完成之后我的虛擬機名稱是Android6.0 設置分辨率為1920x1080x32&#xff1a;https://my.oschina.net/xldc/blog/290155 首先&a…
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python中裝飾器修復技術_python3之裝飾器修復技術@wraps

python中裝飾器修復技術_python3之裝飾器修復技術@wraps

普通函數def f():"""這是一個用來測試裝飾器修復技術的函數"""print("哈哈哈")if __name__ __main__:print("執行的函數名:", f.__name__)print("函數的注釋:", f.__doc__)# 打印結果執行的函數名: f函數的注釋:…
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markdown 語法_markdown特殊語法之上下標

markdown 語法_markdown特殊語法之上下標

markdown特殊語法之上下標?markdown的基本語法很簡單&#xff0c;百度一下就可以了&#xff0c;有空的話我再轉載一些過來。我想的是平常其實需要用到的一些輸入技巧&#xff0c;特殊用法或者擴展語法&#xff0c;還有一些難點倒是要記錄學習一下。在寫作的時候&#xff0c;大…
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oracle安裝向導卡住了_JDK 8 的安裝與配置

oracle安裝向導卡住了_JDK 8 的安裝與配置

一、安裝環節1. 打開網頁https://www.oracle.com/java/technologies/javase/javase-jdk8-downloads.html2.找到對象的版本 盡量從官網下載(官網可能會比較慢&#xff0c;也可以通過瀏覽器輸入jdk版本號進行下載)官網下載需要注冊一個賬號3.雙擊下載的 exe,如 jdk-8u131-windows…
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