《TCP/IP网络编程》第 13 章 多种 I/O 函数 笔记

第 13 章 多种 I/O 函数

本章代码,在TCP-IP-NetworkNote中可以找到。

13.1 send & recv 函数

13.1.1 Linux 中的 send & recv

首先看 sned 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: 保存带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
*/

send 和 recv 函数都是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:

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:

通过去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一下信息:

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,用于调用以非阻塞方式验证待读数据存与否的函数。下面的示例是二者的含义:

编译运行:

gcc peek_recv.c -o recv
gcc peek_send.c -o send
./recv 9190
./send 127.0.0.1 9190

结果:

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;
}

编译运行:

gcc writev.c -o writev
./writevi

结果:

ABC1234
Write bytes: 7

下面介绍 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 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
*/

下面是示例代码:

#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;
}

编译运行:

gcc readv.c -o rv
./rv

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:

13.3 基于 Windows 的实现

暂略

13.4 习题

以下答案仅代表本人个人观点,可能不是正确答案。
  1. 下列关于 MSG_OOB 可选项的说法错误的是

    答:以下加粗的字体代表说法正确。

    1. MSG_OOB 指传输 Out-of-band 数据,是通过其他路径高速传输数据
    2. MSG_OOB 指通过其他路径高速传输数据,因此 TCP 中设置该选项的数据先到达对方主机
    3. 设置 MSG_OOB 是数据先到达对方主机后,以普通数据的形式和顺序读取。也就是说,只是提高了传输速度,接收方无法识别这一点
    4. MSG_OOB 无法脱离 TCP 的默认数据传输方式,即使脱离了 MSG_OOB ,也会保持原有的传输顺序。该选项只用于要求接收方紧急处理
  2. 利用 readv & writev 函数收发数据有何优点?分别从函数调用次数和 I/O 缓冲的角度给出说明

    答: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。

  3. 通过 recv 函数验证输入缓冲中是否存在数据时(确认后立即返回时),如何设置 recv 函数最后一个参数中的可选项?分别说明各可选项的含义

    答:使用 MSG_PEEK 来验证输入缓冲中是否存在待接收的数据。各个可选项的意义参见上面对应章节的表格。

最后修改:2019 年 01 月 26 日 11 : 18 PM
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