TCP/IP网络编程——多种 I/O 函数

news2024/10/2 22:22:39

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TCP/IP网络编程完整版文章

文章目录

    • 第 13 章 多种 I/O 函数
      • 13.1 send & recv 函数
        • 13.1.1 Linux 中的 send & recv
        • 13.1.2 MSG_OOB：发送紧急消息
        • 13.1.3 紧急模式工作原理
        • 13.1.4 检查输入缓冲
      • 13.2 readv & writev 函数
        • 13.2.1 使用 readv & writev 函数
        • 13.2.2 合理使用 readv & writev 函数

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sendrecv
MSG_OOB用于传输带外数据（Out-of-band data）OO
MSG_PEEK验证输入缓冲中是否存在接受的数据XO
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OX
MSG_DONTWAIT调用 I/O 函数时不阻塞，用于使用非阻塞（Non-blocking）I/OOO
MSG_WAITALL防止函数返回，直到接收到全部请求的字节数XO

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：

在这里插入图片描述

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：

在这里插入图片描述

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

运行结果：

在这里插入图片描述

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：

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