《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 13：多种 I/O 函数

《TCP/IP网络编程》学习笔记 | Chapter 13：多种 I/O 函数

send & recv 函数

Linux 平台下的 send 和 recv 函数

#include <sys/socket.h>
ssize_t recv(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。

参数：

• 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);

成功时返回接收的字节数（收到 EOF 返回 0），失败时返回 -1。

参数：

• 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，通过表下表整理可选项的种类及含义。

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。

MSG_OOB：发送紧急消息

MSG_OOB是特定于TCP的一个选项，它用于在TCP连接中发送紧急或带外数据（out-of-band data），通常用于中断正常的数据流，它允许发送端发送一些紧急信息，这些信息会绕过正常的数据队列，直接发送给接收端，而接收端也可以优先处理这些带外数据。

下面示例将通过MSG_OOB可选项收发数据。

oob_send.c：

在这里插入代码片

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：

在这里插入代码片

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
123
Urgent message: 4
567
Urgent message: 0
89

编译oob_send.c并运行：

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

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。

注意：每次运行的效果，并不是一样的。

输出结果出乎意料：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。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 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。

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。

紧急模式的工作原理

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：

上图给出的是示例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。这一点可以通过下图中用于传输数据的TCP数据包（段）的结构看的更清楚。

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>\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);
}

发起连接请求，然后发送字符串“123”。

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>\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)
    {
        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);

    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);
}

程序调用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。