TCP/IP网络编程——多种 I/O 函数

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第 13 章 多种 I/O 函数

13.1 send & recv 函数

13.1.1 Linux 中的 send & recv

首先看 send 函数定义：

#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags);
/*
成功时返回发送的字节数，失败时返回 -1
sockfd: 表示与数据传输对象的连接的套接字和文件描述符
buf: 保存待传输数据的缓冲地址值
nbytes: 待传输字节数
flags: 传输数据时指定的可选项信息
*/

下面是 recv 函数的定义：

#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t nbytes, int flags);
/*
成功时返回接收的字节数（收到 EOF 返回 0），失败时返回 -1
sockfd: 表示数据接受对象的连接的套接字文件描述符
buf: 保存接受数据的缓冲地址值
nbytes: 可接收的最大字节数
flags: 接收数据时指定的可选项参数
*/

end 和 recv 函数的最后一个参数是收发数据的可选项，该选项可以用位或（bit OR）运算符（| 运算符）同时传递多个信息。

send & recv 函数的可选项意义：

可选项（Option）	含义	send	recv
MSG_OOB	用于传输带外数据（Out-of-band data）	O	O
MSG_PEEK	验证输入缓冲中是否存在接受的数据	X	O
MSG_DONTROUTE	数据传输过程中不参照本地路由（Routing）表，在本地（Local）网络中寻找目的地	O	X
MSG_DONTWAIT	调用 I/O 函数时不阻塞，用于使用非阻塞（Non-blocking）I/O	O	O
MSG_WAITALL	防止函数返回，直到接收到全部请求的字节数	X	O

13.1.2 MSG_OOB：发送紧急消息

MSG_OOB 可选项用于创建特殊发送方法和通道以发送紧急消息。下面为 MSG_OOB 的示例代码：

oob_send.c 程序：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);int main(int argc, char *argv[])
{int sock;struct sockaddr_in recv_adr;if (argc != 3){printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);exit(1);}sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&recv_adr, 0, sizeof(recv_adr));recv_adr.sin_family = AF_INET;recv_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);recv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if (connect(sock, (struct sockaddr *)&recv_adr, sizeof(recv_adr)) == -1)error_handling("connect() error");write(sock, "123", strlen("123"));send(sock, "4", strlen("4"), MSG_OOB);write(sock, "567", strlen("567"));send(sock, "890", strlen("890"), MSG_OOB);close(sock);return 0;
}void error_handling(char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

oob_recv.c 程序：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <signal.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <fcntl.h>#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);
void urg_handler(int signo);int acpt_sock;
int recv_sock;int main(int argc, char *argv[])
{struct sockaddr_in recv_adr, serv_adr;int str_len, state;socklen_t serv_adr_sz;struct sigaction act;char buf[BUF_SIZE];if (argc != 2){printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}act.sa_handler = urg_handler;sigemptyset(&act.sa_mask);act.sa_flags = 0;acpt_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&recv_adr, 0, sizeof(recv_adr));recv_adr.sin_family = AF_INET;recv_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);recv_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if (bind(acpt_sock, (struct sockaddr *)&recv_adr, sizeof(recv_adr)) == -1)error_handling("bind() error");listen(acpt_sock, 5);serv_adr_sz = sizeof(serv_adr);recv_sock = accept(acpt_sock, (struct sockaddr *)&serv_adr, &serv_adr_sz);//将文件描述符 recv_sock 指向的套接字拥有者（F_SETOWN）改为把getpid函数返回值用做id的进程fcntl(recv_sock, F_SETOWN, getpid());state = sigaction(SIGURG, &act, 0); //SIGURG 是一个信号，当接收到 MSG_OOB 紧急消息时，系统产生SIGURG信号while ((str_len = recv(recv_sock, buf, sizeof(buf), 0)) != 0){if (str_len == -1)continue;buf[str_len] = 0;puts(buf);}close(recv_sock);close(acpt_sock);return 0;
}
void urg_handler(int signo)
{int str_len;char buf[BUF_SIZE];str_len = recv(recv_sock, buf, sizeof(buf) - 1, MSG_OOB);buf[str_len] = 0;printf("Urgent message: %s \n", buf);
}void error_handling(char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

编译运行：

gcc oob_send.c -o send
gcc oob_recv.c -o recv

运行结果：

从运行结果可以看出，send 是客户端，recv 是服务端，客户端给服务端发送消息，服务端接收完消息之后显示出来。可以从图中看出，每次运行的效果，并不是一样的。

代码中关于:

fcntl(recv_sock, F_SETOWN, getpid());

的意思是：

文件描述符 recv_sock 指向的套接字引发的 SIGURG 信号处理进程变为 getpid 函数返回值用作 ID 进程.

上述描述中的「处理 SIGURG 信号」指的是「调用 SIGURG 信号处理函数」。但是之前讲过，多个进程可以拥有 1 个套接字的文件描述符。例如，通过调用 fork 函数创建子进程并同时复制文件描述符。此时如果发生 SIGURG 信号，应该调用哪个进程的信号处理函数呢？可以肯定的是，不会调用所有进程的信号处理函数。因此，处理 SIGURG 信号时必须指定处理信号所用的进程，而 getpid 返回的是调用此函数的进程 ID 。上述调用语句指当前为处理 SIGURG 信号的主体。

输出结果，可能出乎意料：

通过 MSG_OOB 可选项传递数据时只返回 1 个字节，而且也不快

的确，通过 MSG_OOB 并不会加快传输速度，而通过信号处理函数 urg_handler 也只能读取一个字节。剩余数据只能通过未设置 MSG_OOB 可选项的普通输入函数读取。因为 TCP 不存在真正意义上的「外带数据」。实际上，MSG_OOB 中的 OOB 指的是 Out-of-band ，而「外带数据」的含义是：

通过完全不同的通信路径传输的数据

即真正意义上的 Out-of-band 需要通过单独的通信路径高速传输数据，但是 TCP 不另外提供，只利用 TCP 的紧急模式（Urgent mode）进行传输。

13.1.3 紧急模式工作原理

MSG_OOB 的真正意义在于督促数据接收对象尽快处理数据。这是紧急模式的全部内容，而 TCP 「保持传输顺序」的传输特性依然成立。TCP 的紧急消息无法保证及时到达，但是可以要求急救。下面是 MSG_OOB 可选项状态下的数据传输过程，如图：

上面是:

send(sock, "890", strlen("890"), MSG_OOB);

图上是调用这个函数的缓冲状态。如果缓冲最左端的位置视作偏移量 0 。字符 0 保存于偏移量 2 的位置。另外，字符 0 右侧偏移量为 3 的位置存有紧急指针（Urgent Pointer）。紧急指针指向紧急消息的下一个位置（偏移量加一），同时向对方主机传递以下信息：

紧急指针指向的偏移量为 3 之前的部分就是紧急消息。

也就是说，实际上只用了一个字节表示紧急消息。这一点可以通过图中用于传输数据的 TCP 数据包（段）的结构看得更清楚，如图：

TCP 数据包实际包含更多信息。TCP 头部包含如下两种信息：

• URG=1：载有紧急消息的数据包
• URG指针：紧急指针位于偏移量为 3 的位置。

指定 MSG_OOB 选项的数据包本身就是紧急数据包，并通过紧急指针表示紧急消息所在的位置。

紧急消息的意义在于督促消息处理，而非紧急传输形式受限的信息。

13.1.4 检查输入缓冲

同时设置 MSG_PEEK 选项和 MSG_DONTWAIT 选项，以验证输入缓冲是否存在接收的数据。设置 MSG_PEEK 选项并调用 recv 函数时，即使读取了输入缓冲的数据也不会删除。因此，该选项通常与 MSG_DONTWAIT 合作，用于以非阻塞方式验证待读数据存在与否。下面的示例是二者的含义：

peek_recv.c 程序：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>#define BUF_SIZE 30
void error_handling(char *message);int main(int argc, char *argv[])
{int acpt_sock, recv_sock;struct sockaddr_in acpt_adr, recv_adr;int str_len, state;socklen_t recv_adr_sz;char buf[BUF_SIZE];if (argc != 2){printf("Usage : %s <port>\n", argv[0]);exit(1);}acpt_sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&acpt_adr, 0, sizeof(acpt_adr));acpt_adr.sin_family = AF_INET;acpt_adr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);acpt_adr.sin_port = htons(atoi(argv[1]));if (bind(acpt_sock, (struct sockaddr *)&acpt_adr, sizeof(acpt_adr)) == -1)error_handling("bind() error");listen(acpt_sock, 5);recv_adr_sz = sizeof(recv_adr);recv_sock = accept(acpt_sock, (struct sockaddr *)&recv_adr, &recv_adr_sz);while (1){//保证就算不存在待读取数据也不会阻塞str_len = recv(recv_sock, buf, sizeof(buf) - 1, MSG_PEEK | MSG_DONTWAIT);if (str_len > 0)break;}buf[str_len] = 0;printf("Buffering %d bytes : %s \n", str_len, buf);//再次调用 recv 函数，这一次没有设置任何可选项，所以可以直接从缓冲区读出str_len = recv(recv_sock, buf, sizeof(buf) - 1, 0);buf[str_len] = 0;printf("Read again: %s \n", buf);close(acpt_sock);close(recv_sock);return 0;
}void error_handling(char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

peek_send.c 程序：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
void error_handling(char *message);int main(int argc, char *argv[])
{int sock;struct sockaddr_in send_adr;if (argc != 3){printf("Usage : %s <IP> <port>\n", argv[0]);exit(1);}sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0);memset(&send_adr, 0, sizeof(send_adr));send_adr.sin_family = AF_INET;send_adr.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);send_adr.sin_port = htons(atoi(argv[2]));if (connect(sock, (struct sockaddr *)&send_adr, sizeof(send_adr)) == -1)error_handling("connect() error");write(sock, "123", strlen("123"));close(sock);return 0;
}void error_handling(char *message)
{fputs(message, stderr);fputc('\n', stderr);exit(1);
}

编译运行：

可以通过结果验证，仅发送了一次的数据被读取了 2 次，因为第一次调用 recv 函数时设置了 MSG_PEEK 可选项。

13.2 readv & writev 函数

13.2.1 使用 readv & writev 函数

readv & writev 函数的功能可概括如下：

对数据进行整合传输及发送的函数

也就是说，通过 writev 函数可以将分散保存在多个缓冲中的数据一并发送，通过 readv 函数可以由多个缓冲分别接收。因此，适用这 2 个函数可以减少 I/O 函数的调用次数。下面先介绍 writev 函数。

#include <sys/uio.h>
ssize_t writev(int filedes, const struct iovec *iov, int iovcnt);
/*
成功时返回发送的字节数，失败时返回 -1
filedes: 表示数据传输对象的套接字文件描述符。但该函数并不仅限于套接字，因此，可以像 read 一样向向其传递文件或标准输出描述符.
iov: iovec 结构体数组的地址值，结构体 iovec 中包含待发送数据的位置和大小信息
iovcnt: 向第二个参数传递数组长度
*/

上述第二个参数中出现的数组 iovec 结构体的声明如下：

struct iovec
{void *iov_base; //缓冲地址size_t iov_len; //缓冲大小
};

下图是该函数的使用方法：

writev 的第一个参数，是文件描述符，因此向控制台输出数据，ptr 是存有待发送数据信息的 iovec 数组指针。第三个参数为 2，因此，从 ptr 指向的地址开始，共浏览 2 个 iovec 结构体变量，发送这些指针指向的缓冲数据。

下面是 writev 函数的使用方法：

#include <stdio.h>
#include <sys/uio.h>int main(int argc, char *argv[])
{struct iovec vec[2];char buf1[] = "ABCDEFG";char buf2[] = "1234567";int str_len;vec[0].iov_base = buf1;vec[0].iov_len = 3;vec[1].iov_base = buf2;vec[1].iov_len = 4;str_len = writev(1, vec, 2);puts("");printf("Write bytes: %d \n", str_len);return 0;
}

结果：

ABC1234
Write bytes: 7

readv 函数，功能和 writev 函数正好相反.函数为：

#include <sys/uio.h>
ssize_t readv(int filedes, const struct iovc *iov, int iovcnt);
/*
成功时返回接收的字节数，失败时返回 -1
filedes: 表示数据传输对象的套接字文件描述符。但该函数并不仅限于套接字，因此，可以像 write 一样向向其传递文件或标准输出描述符.
iov: iovec 结构体数组的地址值，结构体 iovec 中包含待数据保存的位置和大小信息
iovcnt: 第二个参数中数组的长度
*/

下面是示例代码：

readv.c 程序：

#include <stdio.h>
#include <sys/uio.h>
#define BUF_SIZE 100int main(int argc, char *argv[])
{struct iovec vec[2];char buf1[BUF_SIZE] = {0,};char buf2[BUF_SIZE] = {0,};int str_len;vec[0].iov_base = buf1;vec[0].iov_len = 5;vec[1].iov_base = buf2;vec[1].iov_len = BUF_SIZE;str_len = readv(0, vec, 2);printf("Read bytes: %d \n", str_len);printf("First message: %s \n", buf1);printf("Second message: %s \n", buf2);return 0;
}

运行结果：

从图上可以看出，首先截取了长度为 5 的数据输出，然后再输出剩下的。

13.2.2 合理使用 readv & writev 函数

实际上，能使用该函数的所有情况都适用。例如，需要传输的数据分别位于不同缓冲（数组）时，需要多次调用 write 函数。此时可通过 1 次 writev 函数调用替代操作，当然会提高效率。同样，需要将输入缓冲中的数据读入不同位置时，可以不必多次调用 read 函数，而是利用 1 次 readv 函数就能大大提高效率。

其意义在于减少数据包个数。假设为了提高效率在服务器端明确禁用了 Nagle 算法。其实 writev 函数在不采用 Nagle 算法时更有价值，如图：