在上一篇文章中，我们学习了Socket编程的基础知识，包括创建Socket、绑定地址、监听连接、接收连接等操作。然而，真正的套接字编程远不止于此。本文将重点介绍TCP 流式协议，什么是粘包问题？如何解决粘包问题 ？以及recv()和send()这两个函数详细介绍，它们分别用于读取和发送数据，是网络编程中最为关键的环节。我们将详细剖析函数原型、参数含义，并通过实例代码展示具体用法，助你彻底掌握数据传输的精髓。
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我们先来回顾一下 socket 编程的基本流程：
接下来，开始我们今天的正题。
一、TCP 流式协议
1、TCP 流式协议介绍
TCP（传输控制协议）是一种面向连接的、可靠的、基于字节流的传输层通信协议。
以下是 TCP 作为流式协议的一些关键特性和详细说明：
- 面向连接：
- TCP 需要在数据传输开始前建立一个连接。通过三次握手过程，客户端和服务器交换初始序列号，建立稳定的连接。
- 字节流：
- 与数据报（如 UDP）不同，TCP 将数据视为字节流，而不是独立的数据包。这意味着 TCP 不保留数据包边界，应用程序需要自己处理数据的边界。
- 可靠性：
- TCP 保证数据的可靠传输。它使用序列号和确认应答机制来确保数据按顺序、完整地到达目的地。
- 有序性：
- TCP 保证数据包的有序传输。如果数据包丢失或乱序，TCP 会重传丢失的数据包并重新排序。
- 拥塞控制：
- TCP 内置拥塞控制机制，通过调整数据的发送速率来避免网络拥塞。这是通过算法如慢启动、拥塞避免、快重传和快恢复实现的。
- 流量控制：
- TCP 使用滑动窗口机制进行流量控制，接收方根据自己的接收能力告知发送方可以发送多少数据。
- 全双工通信：
- TCP 允许双向通信，即客户端和服务器可以独立地发送和接收数据。
- 数据传输：
- TCP 通过套接字接口提供数据传输服务。应用程序可以使用
read()、write()或专门的套接字系统调用如recv()和send()进行数据传输。
- 连接管理：
- TCP 连接的建立和终止通过三次握手和四次挥手过程管理。这些过程确保了连接的稳定建立和优雅关闭。
- 超时和重传：
- 如果发送的数据没有得到及时确认，TCP 会自动重传数据，并且随着时间的推移，重传间隔会指数增长。
- 保活和死锁检测：
- TCP 提供保活（keepalive）机制，以检测死连接。如果连接长时间没有活动，TCP 可以自动关闭连接。
- 适用场景：
- TCP 适用于需要可靠传输的应用，如 Web 浏览（HTTP）、文件传输（FTP）、邮件传输（SMTP）和远程登录（SSH）。
- 限制：
- 由于 TCP 是面向连接的协议，它在某些场景下可能不如 UDP 高效，特别是在实时通信或广播通信中。
- 编程模型：
- TCP 编程通常涉及创建套接字、绑定、监听、连接、数据传输和关闭连接等步骤。
TCP 作为流式协议，其设计目标是提供可靠的数据传输服务。它通过多种机制确保数据的正确、有序传输，并通过拥塞控制和流量控制适应不同的网络条件。
也就是说，内核实现的 TCP 协议将保证将一个 TCP 包发送给另一端。
如上图：
拥塞控制是确保可靠数据传输协议有效运作的关键组成部分，因此，在TCP中，发送缓冲区和接收缓冲区成为了必不可少的元素。
在标准的Linux操作系统中，TCP的发送缓冲区和接收缓冲区默认的大小通常被设置为208KB。这意味着，如果进程A没有及时从其接收缓冲区中提取数据，那么传入的数据将继续在缓冲区内积累，直至达到其容量上限。
2、TCP 流式协议引发“粘包问题”
在网络上传输的数据本质上是二进制格式的，这意味着接收缓冲区里存放的内容同样是以二进制数据的形式存在。
数据根据其到达的顺序被依次放入接收缓冲区，这就可能导致所谓的“粘包”现象。
“粘包”这个词更像是一个方便描述的概念，实际上它并非一个正式的术语。
这个说法类似于描述从水龙头流出的水“粘”在一起，这当然不是字面上的粘连，而是用来形象地表达数据包在缓冲区中连续存放的情况。
简而言之，流式协议引发的一个问题是，我们如何识别接收缓冲区中的数据分别属于哪个TCP数据包？
以一个具体示例来说明，如果客户端向服务器发送了三个TCP数据包，分别包含内容QA、QB、QC，每个内容代表一个不同的请求。那么在服务器端的接收缓冲区（RecvBuffer）中，这些数据可能会连续排列成一串数据QAQBQC。服务器需要将这串连续的数据正确地拆分成三个独立的数据包，并对每个数据包进行相应的处理。
3、如何解决“粘包”问题？
通常，为了解决如何从接收缓冲区中区分不同TCP数据包的问题，我们会采用 包头+包体 的方式 。
正如上图所演示：在每个数据包前添加一个固定长度的包头，并在包头中记录数据包的总长度。包体部分则承载实际要传输的数据。
处理接收缓冲区数据的步骤如下：
- Step 1： 首先从接收缓冲区读取固定大小的包头（例如20字节）。
- Step 2： 解析包头，从中获取数据包的总长度，这里假设包头中包含的数据长度字段名为
Header.Length。 - Step 3 ： 根据
Header.Length的值，确定接下来需要从接收缓冲区读取的数据量。
例如，如果包头之后的数据总长度为1048字节，减去已读取的20字节包头，还需读取1028字节的数据。
通过这种方式，即使数据在接收缓冲区中是连续存放的，服务器也能够根据每个数据包的包头信息，正确地拆分和识别出独立的数据包。
二、recv()函数详解
recv() 函数是专用于
scoket 上的
read 操作，用于接收 TCP 套接字数据的系统调用。它在服务器端或客户端程序中用来从连接的对端读取数据，本质上是从接收缓冲区读取数据 ，该系统调用将返回实际读取的字节数，其值可能会小于传入的
length 参数。
以下是 recv() 函数的详细说明：
（1）、函数原型
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);
（2）、参数
sockfd：套接字描述符，表示要从中读取数据的 TCP 套接字。buf：指向一个缓冲区的指针，用于存储接收到的数据。len：缓冲区的大小，即buf可以存储的最大字节数。- flags：用来修改recv()行为的选项。常用的值包括：
0：正常接收数据。MSG_PEEK：窥视接收的数据，不从接收缓冲区中移除数据。MSG_WAITALL：等待直到接收到len个字节的数据，或者出现错误。
（3）、返回值：
- 成功时，返回接收到的字节数，该值通常小于或等于
len。 - 失败时，返回
-1，并设置全局变量errno以指示错误类型。
（4）、错误处理：
-
EAGAIN或EWOULDBLOCK：在非阻塞模式下，如果操作会阻塞，则返回此错误。 -
ECONNRESET：远程主机强行关闭了一个现有的连接。 -
ENOTCONN：套接字未连接，即未调用connect()或accept()。 -
ENOTSOCK：sockfd不是一个套接字。
（5）、使用场景：
- 主要用于 TCP 套接字上的数据接收。对于 UDP 套接字，通常使用
recvfrom()函数。
（6）、阻塞和非阻塞行为：
- 默认情况下，
recv()是阻塞的，它会等待直到至少接收到一个字节的数据。 - 对于非阻塞套接字，如果接收缓冲区中没有数据，
recv()会立即返回，返回值为 0。
（7）、与 read() 的区别：
read()是一个通用的系统调用，用于读取文件描述符，而recv()专门用于套接字。recv()可以处理套接字选项和状态，而read()不能。
（8）、示例代码：
接下来我们通过一个简单的客户端示例，演示如何使用recv()接收数据:
#include <iostream>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <unistd.h>
#include <cstring>
int main() {
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
struct sockaddr_in servaddr;
memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
servaddr.sin_family = AF_INET;
servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");
servaddr.sin_port = htons(8000);
connect(sockfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr));
char buffer[1024];
ssize_t nbytes = recv(sockfd, buffer, sizeof(buffer), 0);
buffer[nbytes] = '\0';
std::cout << "Received: " << buffer << std::endl;
close(sockfd);
return 0;
}在这个例子中，客户端连接到本机的8000端口，然后使用recv()接收数据并输出到控制台。你可以自行运行并在服务器端发送数据，以验证recv()的效果。
（9）、注意事项：
- 接收到的数据可能小于请求的长度，因此应用程序应该总是检查返回值。
-
recv()可以与select()或poll()结合使用，以实现更复杂的非阻塞操作。
recv() 函数是 TCP 网络编程中接收数据的基本工具。正确使用它需要考虑套接字的状态、缓冲区的大小以及可能的错误情况。
三、send()函数解析
send() 函数专用于
scoket 上的
write
操作，在套接字上发送数据的系统调用。
本质上是向发送缓冲区中写入数据，内核在发送 TCP 数据时，通常会使用 Nagle 算法把多个小的数据包合并成一个发送给另一端，以提高效率。
它是 TCP 网络编程中发送数据的基本工具之一。
以下是 send() 函数的详细解析：
（1）、函数原型
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
（2）、参数
-
sockfd：套接字描述符，表示要从中发送数据的套接字。 -
buf：指向要发送数据缓冲区的指针。 -
len：要发送数据的长度，单位为字节。 - flags：用来修改发送行为的选项。常用的值包括：
-
0：正常发送数据。 -
MSG_DONTWAIT：使send()调用非阻塞。 -
MSG_MORE：暗示更多的数据要发送，可以用于优化传输效率。
（3）、返回值
- 成功时，返回已发送的字节数，该值通常小于或等于
len。 - 失败时，返回
-1，并设置全局变量errno以指示错误类型。
（4）、错误处理
EAGAIN或EWOULDBLOCK：在非阻塞模式下，如果操作会阻塞，则返回此错误。ECONNRESET：远程主机强行关闭了连接。ENOTCONN：套接字未连接到任何远程主机。ENOTSOCK：sockfd不是一个套接字。
（5）、使用场景
- 主要用于已连接的 TCP 套接字上的数据发送。对于 UDP 套接字，通常使用
sendto()函数。
（6）、阻塞和非阻塞行为
- 默认情况下，
send()是阻塞的，它会等待直到数据被发送。 - 对于非阻塞套接字，如果数据不能立即发送，
send()会返回-1并设置errno为EAGAIN或EWOULDBLOCK。
（7）、与 write() 的区别
write()是一个通用的系统调用，用于写文件描述符，而send()专门用于套接字。send()可以处理套接字选项和状态，而write()不能。
（8）、示例代码
const char* message = "Hello, World!";
ssize_t nbytes = send(sockfd, message, strlen(message), 0);
if (nbytes < 0) {
perror("send failed");
exit(EXIT_FAILURE);
}
（9）、注意事项
- 发送的数据可能因为网络或其他原因没有立即发送出去，
send()只是将数据交给了内核。 - 对于非阻塞套接字，可以使用
select()或poll()来等待套接字变得可写。
send() 函数是 TCP 网络编程中发送数据的基础。正确使用它需要考虑套接字的状态、数据的长度以及可能的错误情况。此外，send() 与 recv() 配合使用，可以实现完整的数据发送和接收流程。
需要注意的是，recv()和send()都可能出现中断或部分接收/发送的情况，因此在实际应用中需要循环调用，确保所有数据都被完整传输。此外，它们还有一些特殊的flags可以控制阻塞行为等，具体用法视实际情况而定。
四、权威之作待续
恭喜你已经完整学习了TCP 流式协议，什么是粘包？粘包如何处理？以及recv()和send()函数，这标志着你正在向Socket编程高手的行列迈进。当然，Socket编程远不止如此，还有select()、poll()等I/O复用函数、Unix域Socket编程、原始套接字编程等更高阶的技巧等待你去发掘。我们期待在不久的将来，为你呈现一部Socket编程的不朽权威之作。敬请期待!
