linux网络编程之socket编程(四)

经过两周的等待，终于可以回归我正常的学习之旅了，表哥来北京了在我这暂住，晚上回家了基本在和他聊天，周末带他在北京城到处乱转，几乎剥夺了我自由学习的时间了，不过，亲人之情还是很难得的，工作学习并不是生活的唯一，现在已经习惯每周至少写一篇博文的生活了，如果一周不写会觉得缺少什么似的，好了，话不多说，继续学习linux网络编程socket相关的知识：

流协议与粘包:

关于什么是粘包可能有些抽象，先得有一些理论基础：我们知道TCP是一个基于字节流的传输服务，这意味着TCP所传输的数据之间是无边界的，像流水一样，是无法区分边界的;而UDP是基于消息的传输服务，它传输的是数据报文，是有边界的。

而对于数据之间有无边界，反映在对方接收程序的时候，是不一样的：对于TCP字节流来说，对等方在接收数据的时候，不能够保证一次读操作，能够返回多少个字节，是一个消息，还是二个消息，这些都是不确定的；而对于UDP消息服务来说，它能够保证对等方一次读操作返回的是一条消息。

由于TCP的无边界性，就会产生粘包问题，那粘包问题具体体现是怎样的呢？下面用图来进行阐述：

假设主机A(Host A)要向主机B(Host B)发送两个数据包：M1,M2

而对于对待接收方主机B来说，可能会有以下几种情况：

①

 也就是第一次读操作刚好返回第一条消息(M1)的全部，接下来第二次读操作返回第二条消息(M2)的全部，所以这就没有粘包问题。

②

 

 一次读操作就返回了M1,M2的所有，这样M1和M2就粘在一起了，这就能比较直观的体会到粘包的表现了。

③

 

 一次读操作返回了M1的全部，并且还有M2的一部分(m2_1)；第二次读操作返回了M2的另外一部分(M2_2)。

④

 

一次读操作返回了M1的一部分(M1_1)；第二次读操作返回了M1的另外一部分(M1_2)，并且还有M2的全部。

当然除了上面四种情况，可能还存在其它组合，因为主机B一次能接收的字节数是不确定的。

下面来探讨下产生的原因。

粘包产生的原因

① 应用程要将自己缓冲区中的数据发送出去，首先要调用一个write方法，将应用程序的缓冲区的数据拷贝到套接口发送缓冲区(SO_SNDBUF)，而该缓冲区有一个SO_SNDBUF大小的限制，如果应用缓冲区一条消息的大小超过了SO_SNDBUF的大小，那这时候就有可能产生粘包问题，因为消息被分隔了，一部分已经发送给发送缓冲区，且对方已经接收到了，另外一部分才放到了发送缓冲区，这样对方就延迟接收了消息的后一部分。这就导致了粘包问题的出现。

②TCP传输的段有最大段(MSS)的限制，所以也会对应用发送的消息进行分割而产生粘包问题。

③链路层它所传输的数据有一个最大传输单元(MTU)的限制，如果我们所发送的数据包超过了最大传输单元，会在IP层进行分组，这也可能导致消息的分割，所以也有可能出现粘包问题。

当然还有其它原因，如TCP的流量控制、拥塞控制、TCP的延迟发送机制，对于上面说的理论理解起来比较抽象，只要记住一条：TCP会产生粘包问题既可。

粘包解决方案:

怎么才能解决粘包问题呢？

既然TCP协议没有在传输层没有维护消息与消息之间的边界，所以：

　　我们所要发送的消息是一个定长包，那么对等方在接收的时候已定长的方式来进行接收，就能确保消息与消息之间的边界。

 

这种方式有个问题，就是如果消息本身就带这些字符的话，就无法就无法区分消息的边界了，这时就需要用到转义字符了。

其中包头是定长的，如4个字节。

这些解决方案有一个很重要的问题，就是定长包的接收，我们之前说了，TCP是一个流协议，它不能保证对方一次接收接收到了多少个字节，那我们就需要封装一个函数：接收确定字节数的读操作。

下面来封装两个函数，如下：

readn、writen

 接收确切数目的读操作

我们还是继续完善之前的回射服务客户端的程序，关于这个程序可以回顾一下http://www.cnblogs.com/webor2006/p/3932917.html

先贴一下代码：

echosrv.c:

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define ERR_EXIT(m) 
        do 
        { 
                perror(m); 
                exit(EXIT_FAILURE); 
        } while(0)

void do_service(int conn)
{
    char recvbuf[1024];
        while (1)
        {
                memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
                int ret = read(conn, recvbuf, sizeof(recvbuf));
        if (ret == 0)
        {
            printf("client close
");
            break;
        }
        else if (ret == -1)
            ERR_EXIT("read");
                fputs(recvbuf, stdout);
                write(conn, recvbuf, ret);
        }
}

int main(void)
{
    int listenfd;
    if ((listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)
/*    if ((listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)*/
        ERR_EXIT("socket");

    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(5188);
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    /*servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");*/
    /*inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);*/

    int on = 1;
    if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) < 0)
        ERR_EXIT("setsockopt");

    if (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
        ERR_EXIT("bind");
    if (listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0)
        ERR_EXIT("listen");

    struct sockaddr_in peeraddr;
    socklen_t peerlen = sizeof(peeraddr);
    int conn;
    
    pid_t pid;
    while (1)
    {
        if ((conn = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&peeraddr, &peerlen)) < 0)
            ERR_EXIT("accept");

        printf("ip=%s port=%d
", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port));

        pid = fork();
        if (pid == -1)
            ERR_EXIT("fork");
        if (pid == 0)
        {
            close(listenfd);
            do_service(conn);
            exit(EXIT_SUCCESS);
        }
        else
            close(conn);
    }
    
    return 0;
}

echocli.c:

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define ERR_EXIT(m) 
        do 
        { 
                perror(m); 
                exit(EXIT_FAILURE); 
        } while(0)

int main(void)
{
    int sock;
    if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)
        ERR_EXIT("socket");

    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(5188);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    if (connect(sock, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
        ERR_EXIT("connect");

    char sendbuf[1024] = {0};
    char recvbuf[1024] ={0};
    while (fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL)
    {
        write(sock, sendbuf, strlen(sendbuf));
        read(sock, recvbuf, sizeof(recvbuf));

        fputs(recvbuf, stdout);
        memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
        memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
    }

    close(sock);
    
    return 0;
}

对于这个函数的封装，还是参考这个原形来设计，参数保持一样：

这样，最后用我们写的函数来替换这个系统调用既可，下面则正式开始封装此函数：

ssize_t readn(int fd, void *buf, size_t count)//读取count个字节数，其中size_t是无符号的整数，ssize_t是有符号的整数
{
    size_t nleft = count;//剩余的字节数
    ssize_t nread;//已接收的字节数
    char *bufp = (char*)buf;

    while (nleft > 0)
    {//由于不能保证一次读操作能够返回字节数是多少，所以需要进行循环来接收
        if ((nread = read(fd, bufp, nleft)) < 0)
        {
            if (errno == EINTR)//被信号中断了，则继续执行，因为不是出错
                continue;
            return -1;//表示读取失败了
        }
        else if (nread == 0)//对等方关闭了
            return count - nleft;//返回已经读取的字节数

        bufp += nread;
        nleft -= nread;
    }

    return count;
}

【说明】：关于这个函数的编写，可以好好理解下，目的就是用我们自己封装的方法来代替系统的读方法。 

发送确切数目的写操作

关于这个方法，跟readn方法大同小异，这时就直拉上代码，里面有一些注释：

ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;
    ssize_t nwritten;
    char *bufp = (char*)buf;

    while (nleft > 0)
    {
        if ((nwritten = write(fd, bufp, nleft)) < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
                continue;
            return -1;
        }
        else if (nwritten == 0)//如果是这种情况，则表示什么都没发生，继续还得执行
            continue;

        bufp += nwritten;
        nleft -= nwritten;
    }

    return count;
}

接下来，用我们自己封装的函数来代码系统函数，先只修改客户端程序，一步步来引导其这样做的原因。

echosrv.c:

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define ERR_EXIT(m) 
        do 
        { 
                perror(m); 
                exit(EXIT_FAILURE); 
        } while(0)

ssize_t readn(int fd, void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;
    ssize_t nread;
    char *bufp = (char*)buf;

    while (nleft > 0)
    {
        if ((nread = read(fd, bufp, nleft)) < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
                continue;
            return -1;
        }
        else if (nread == 0)
            return count - nleft;

        bufp += nread;
        nleft -= nread;
    }

    return count;
}

ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;
    ssize_t nwritten;
    char *bufp = (char*)buf;

    while (nleft > 0)
    {
        if ((nwritten = write(fd, bufp, nleft)) < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
                continue;
            return -1;
        }
        else if (nwritten == 0)
            continue;

        bufp += nwritten;
        nleft -= nwritten;
    }

    return count;
}

void do_service(int conn)
{
    char recvbuf[1024];
        while (1)
        {
                memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
                int ret = readn(conn, recvbuf, sizeof(recvbuf));//将其替换成自己封装的方法
        if (ret == 0)
        {
            printf("client close
");
            break;
        }
        else if (ret == -1)
            ERR_EXIT("read");
                fputs(recvbuf, stdout);
                writen(conn, recvbuf, ret);
        }
}

int main(void)
{
    int listenfd;
    if ((listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)
/*    if ((listenfd = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, 0)) < 0)*/
        ERR_EXIT("socket");

    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(5188);
    servaddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    /*servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");*/
    /*inet_aton("127.0.0.1", &servaddr.sin_addr);*/

    int on = 1;
    if (setsockopt(listenfd, SOL_SOCKET, SO_REUSEADDR, &on, sizeof(on)) < 0)
        ERR_EXIT("setsockopt");

    if (bind(listenfd, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
        ERR_EXIT("bind");
    if (listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0)
        ERR_EXIT("listen");

    struct sockaddr_in peeraddr;
    socklen_t peerlen = sizeof(peeraddr);
    int conn;
    
    pid_t pid;
    while (1)
    {
        if ((conn = accept(listenfd, (struct sockaddr*)&peeraddr, &peerlen)) < 0)
            ERR_EXIT("accept");

        printf("ip=%s port=%d
", inet_ntoa(peeraddr.sin_addr), ntohs(peeraddr.sin_port));

        pid = fork();
        if (pid == -1)
            ERR_EXIT("fork");
        if (pid == 0)
        {
            close(listenfd);
            do_service(conn);
            exit(EXIT_SUCCESS);
        }
        else
            close(conn);
    }
    
    return 0;
}

这时客户端程序还保持原样，这时编译，那会有什么效果呢：

发现，这时客户端发送的数据服务端没有办法接收了，这是为什么呢？

如果对方发送数据不足1024个字节时，那就会一直循环，查看其readn函数：

这时，解决方案，第一种就是发送定长包：

所以，这时将客户端的write替换成writen，如下：

echocli.c:

#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>

#define ERR_EXIT(m) 
        do 
        { 
                perror(m); 
                exit(EXIT_FAILURE); 
        } while(0)

ssize_t readn(int fd, void *buf, size_t count)//需要将函数的定义也挪过来
{
    size_t nleft = count;
    ssize_t nread;
    char *bufp = (char*)buf;

    while (nleft > 0)
    {
        if ((nread = read(fd, bufp, nleft)) < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
                continue;
            return -1;
        }
        else if (nread == 0)
            return count - nleft;

        bufp += nread;
        nleft -= nread;
    }

    return count;
}

ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;
    ssize_t nwritten;
    char *bufp = (char*)buf;

    while (nleft > 0)
    {
        if ((nwritten = write(fd, bufp, nleft)) < 0)
        {
            if (errno == EINTR)
                continue;
            return -1;
        }
        else if (nwritten == 0)
            continue;

        bufp += nwritten;
        nleft -= nwritten;
    }

    return count;
}

int main(void)
{
    int sock;
    if ((sock = socket(PF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)) < 0)
        ERR_EXIT("socket");

    struct sockaddr_in servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sin_family = AF_INET;
    servaddr.sin_port = htons(5188);
    servaddr.sin_addr.s_addr = inet_addr("127.0.0.1");

    if (connect(sock, (struct sockaddr*)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
        ERR_EXIT("connect");

    char sendbuf[1024] = {0};
    char recvbuf[1024] ={0};
    while (fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL)
    {
        writen(sock, sendbuf, sizeof(sendbuf));
        readn(sock, recvbuf, sizeof(recvbuf));

        fputs(recvbuf, stdout);
        memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
        memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
    }

    close(sock);
    
    return 0;
}

这时再运行，看问题是否解决：

这时就解决了之前的问题，但是有一个问题，每次发送都是1024定长的字节，如果只发送几个字节的内容也会占用这么多字节，这就会增加网络的负担，那怎么解决这个问题呢？

这时候需要自己定义一个协议，可以定义这样一个包的结构：

这时，在发送数据时，就得进行相应的修改，如下：

这时，服务端接收数据时，也需要进行修改：

当服务端接收完之后，接着回显给客户端，代码修改如下：

这时客户端接收也同理，也是先读取包长度，然后再接收包数据，修改如下：

至此，就已经将解决定长字长的问题的代码写完了，下面来编译运行一下：

至此，这样就很好的解决了粘包问题，在局域网中是不可能出现粘包问题的，但是如果将程序放到广域网，如果不处理粘包问题会存在很大问题的。好了，今天就学到这，下节见~