TCP/IP网络编程之多种I/O函数

send和recv函数

在之前的学习中，我们在不少示例中用到send和recv这两个函数，但一直没有详细解释过着两个函数中每个参数的含义。本节将介绍Linux平台下的send&recv函数

#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags);

　　

• sockfd：表示与数据传输对象的连接的套接字文件描述符
• 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

#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags);

　　

• sockfd：表示与数据接收对象的连接的套接字文件描述符
• buf：保存接收数据的缓冲地址值
• nbytes：可接收最大字节数
• flags：接收数据时指定的可选项信息

send函数和recv函数的最后一个参数是收发数据时的可选项，该可选项可利用位（bit）或运算符同时传递多个信息，通过表1-1整理可选项的种类及含义

表1-1   send&recv函数的可选项及含义

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

另外，不同操作系统对上述可选项的支持也不同。因此，为了使用不同可选项，需对实际开发采用的操作系统有一定了解。下面截取表1-1中的一部分（主要是不受操作系统差异影响的）进行讲解

MSG_OOB：发送紧急消息

MSG_OOB可选项用于发送“外带数据”紧急消息，好比医院有很多病人排队等着看病，现在突然来了个急诊患者该怎么办？当然是优先处理了。MSG_OOB可选项就用于创建特殊发送方法和通道以发送紧急消息，下面示例将通过MSG_OOB可选项收发数据

oob_send.c

#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>
", 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('
', stderr);
    exit(1);
}

　　

• 第29~32行：传输数据，第30行和第32行紧急传输数据。正常顺序应该是123、4、567、890，但紧急传输了4和890，由此可知接收顺序也将改变

从上面示例可以看出，紧急消息的传输比即将介绍的接收过程要简单，只需在调用send函数时指定MSG_OOB可选项，接收紧急消息的过程要相对复杂一点

oob_recv.c

#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>
", 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);

    fcntl(recv_sock, F_SETOWN, getpid());
    state = sigaction(SIGURG, &act, 0);

    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 
", buf);
}
void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('
', stderr);
    exit(1);
}

　　

• 第29、47行：该示例中需要重点观察SIGURG信号相关部分，收到MSG_OOB紧急信号时，该信号将产生SIGURG信号，并调用注册的信号处理函数。另外需要注意的是，第61行的信号处理函数内部调用了紧急消息的recv函数
• 第46行：调用fcntl函数，此函数将单独说明

上述示例中插入了未曾讲解的fcntl函数调用语句，关于此函数只讲解必要部分，后面还会再讲解此函数

fcntl(recv_sock, F_SETOWN, getpid());

　　

fntcl函数用于控制文件描述符，但上述调用语句的含义为：将文件描述符recv_sock指向的套接字拥有者（F_SETOWN）改为把getpid函数返回值用作ID进程。可能大家对“套接字拥有者”的概念有些生疏，操作系统实际上创建管理套接字，所以从严格意义上说，操作系统才是套接字的拥有者，只是此处所谓的“拥有者”是指套接字所有事物的主体，上述描述可简要概括为：文件描述符recv_sock指向的套接字引发的SIGURG信号处理进程变为将getpid函数返回值用作ID的进程

当然，上述描述中的“处理SIGURG信号”指的是“调用SIGURG信号处理函数”。但之前讲过，多进程可以共同拥有一个套接字描述符。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的进程，而getpid函数返回调用此函数的进程ID。上述调用语句指定当前进程为处理SIGURG信号的主体。该程序只创建一个进程，因此，理应由该进程处理SIGURG信号

编译oob_recv.c并运行

# gcc oob_recv.c -o oob_recv
# ./oob_recv 8500
Urgent message: 4 
Urgent message: 0 
123
56789

　　

编译oob_send.c并运行

# gcc oob_send.c -o oob_send
# ./oob_send 127.0.0.1 8500

　　

输出结果可能出乎大家的意料，通过MSG_OOB可选项传递数据时只返回一个字节？而且速度也不是很快。的确，通过MSG_OOB可选项传输数据时不会加快传输速度，而且通过信号处理函数urg_handler读取数据时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，这是因为TCP不存在真正意义上的“外带数据”。实际上，MSG_OOB中的OOB是指Out-of-band，而“外带数据是”：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提高传输数据，但TCP不提供，只利用TCP的紧急模式进行传输。

MSG_OOB真正的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，而且TCP“保持传输顺序”的传输特性依然成立。那怎么能称为紧急消息呢？这确实是紧急消息！因为发送消息者是在催促处理的情况下传输数据，像之前举的医院的例子，急诊患者的及时救治需要两个条件：（1）迅速入院；（2）医院急救；无法快速把病人送到医院，并不意味着不需要医院进行急救。TCP的紧急消息无法保证及时入院，但可以要求急救。当然，急救措施应由程序员完成。之前的示例oob_recv.c的运行过程中也传递了紧急消息，这可以通过事件处理函数确认，这就是MSG_OOB模式数据传输的实际意义。下面给出设置MSG_OOB可选项状态下的数据传输过程，如图1-1所示

图1-1   紧急消息传输阶段的输出缓冲

图1-1给出的是示例oob_send.c的第32行中调用如下函数后的输出缓冲状态，此处假设已传输之前的数据 

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

　　

如果将缓冲最左端的位置视作偏移量为0，字符0保存于偏移量为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。紧急指针指向紧急消息的下一个位置（偏移量加1），同时向对方主机传递消息：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，实际只用一个字节表示紧急消息。这一点可以通过图1-1中用于传输数据的TCP数据包（段）的结构看的更清楚，如图1-2所示

图1-2   设置URG的数据包

TCP数据包实际包含很多信息，图1-2只标注了与我们主题相关的内容，TCP头含有如下两种信息：

• 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位置，但通过图1-2无法得知紧急消息是字符串890？还是90？亦或是单个0？但这并不重要，如前所述，除紧急指针的前面一个字节外，数据接收方将通过调用常用输入函数读取剩余部分。换言之，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消息

检查输入缓冲

同时设置MSG_PEEK选项和MSG_DONTWAIT选项，以验证输入缓冲中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，用于调用以非阻塞方式验证待读数据存在与否的函数

peek_send.c

#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>
", 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('
', stderr);
    exit(1);
}

　　

上述示例第24行发起连接请求，第27行发送字符串123。下面示例给出了使用MSG_PEEK选项和MSG_DONTWAIT选项的结果

peek_recv.c

#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>
", 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)
    {
        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 
", str_len, buf);

    str_len = recv(recv_sock, buf, sizeof(buf) - 1, 0);
    buf[str_len] = 0;
    printf("Read again: %s 
", buf);
    close(acpt_sock);
    close(recv_sock);
    return 0;
}

void error_handling(char *message)
{
    fputs(message, stderr);
    fputc('
', stderr);
    exit(1);
}

　　

• 第38行：调用recv函数的同时传递MSG_PEEK可选项，这是为了保证即使不存在待读取数据也不会进入阻塞状态
• 再次调用recv函数，这次并未设置任何可选项。因此，本次读取的数据将从输入缓冲中删除

编译peek_recv.c并运行

# gcc peek_recv.c -o peek_recv
# ./peek_recv 8500
Buffering 3 bytes: 123 
Read again: 123 

　　

编译peek_send.c并运行

# gcc peek_send.c -o peek_send
# ./peek_send 127.0.0.1 8500

　　

通过运行结果可以验证，仅发送一次的数据被读取两次，因为第一次调用recv函数时设置了MSG_PEEK选项，以上就是MSG_PEEK可选项的功能

readv和writev函数

本节介绍的readv和writev函数有助于提高数据通信效率，先介绍这些函数的使用方法，再讨论其合理的应用场景。readv和writev函数的功能可概括为：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，适当使用这两个函数可以减少I/O函数的调用次数

#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，但该函数并不只限于套接字，因此，可以像read函数一样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：向第二个参数传递的数组长度

上述函数的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
};

　　

可以看到，结构体iovec由保存待发送数据的缓冲（char型数组）地址值和实际发送的数据长度信息构成。给出上述函数的调用示例前，先通过图1-4了解该函数的使用方法

图1-3   write和iovec

图1-3中writev的第一个参数1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，共浏览两个iovec结构体变量，发送这些指针指向的缓冲数据。接下来仔细观察图中iovec结构体数组，ptr[0]（数组第一个元素）的iov_base指向以A开头的字符串，同时iov_len为3，故发送ABC，而ptr[1]（数组的第二个元素）的iov_base指向数字1，同时iov_len为4，故发送1234

接下来给出关于writev函数的调用示例

writev.c

#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 
", str_len);
    return 0;
}

　　

• 第11、12行：写入第一个传输数据的保存位置和大小
• 第13、14行：写入第二个传输数据的保存位置和大小
• 第16行：writev函数的第一个参数为1，故向控制台输出数据

编译writev.c并运行

# gcc writev.c -o writev
# ./writev 
ABC1234
Write bytes: 7 

　　

下面介绍readv函数，它与writev函数正好相反

#include <sys/uio.h>
ssize_t readv(int filedes, const struct iovec *iov, int iovcnt);//成功时返回接收的字节数，失败时返回-1

　　

• filedes：传递接收数据的文件（或套接字）描述符
• iov：包含数据保存位置和大小信息的iovec结构体数组的地址值
• iovcnt：第二个参数中数组的长度

下面给出readv函数的使用方法

readv.c

#include <stdio.h>
#include <sys/uio.h>
#define BUF_SIZE 100

int 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 
", str_len);
    printf("First message: %s 
", buf1);
    printf("Second message: %s 
", buf2);
    return 0;
}

　　

• 第12、13行：设置第一个数据的保存位置和大小，接收数据的大小已指定为5，因此，无论buf1的大小是多少，最多仅能保存5个字节
• 第14、15行：vec[0]中注册的缓冲中保存5个字节，剩余数据将保存到vec[1]中注册的缓冲。结构体iovec的成员iov_len中应写入接收的最大字节数
• 第17行：readv函数的第一个参数为0，因此从标准输入接收数据

编译readv.c并运行

# gcc readv.c -o readv
# ./readv 
I like TCP/IP socket programming
Read bytes: 33 
First message: I lik 
Second message: e TCP/IP socket programming

　　

由运行结果可知，通过第7行声明的vec数组保存了数据

合理使用readv和writev函数

哪种情况适合使用readv和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，此时可以通过一次writev函数调用来提高效率。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，而是利用一次readv函数就能大大提高效率

即使从C语言角度来看，减少函数调用次数也能相应提高性能。但其更大的意义在于减少数据包个数，假设为了提高效率而在服务端明确禁止了Nagle算法，其实writev函数在不采用Nagle算法时更有价值，如图1-4所示

图1-4   Nagle算法关闭状态下的数据传输

上述示例中待发送的数据分别存在三个不同的地方，此时如果使用write函数则需要三次函数调用。但若为提高速度而关闭了Nagle算法，则极有可能通过三个数据包传递数据。反之，若使用writev函数将所有数据一次性写入输出缓冲，则很有可能仅通过一个数据包传输数据。所以writev函数和readv函数非常有用

再考虑一种情况：将不同位置的数据按照发送顺序移动（复制）到一个大数组，并通过一次write函数调用进行传输。这种方式是否与调用writev函数的效果相同？当然！但使用writev函数更为便利，因此，如果遇到writev函数和readv函数的适用情况，请各位一定要优先考虑writev和readv函数