[C++ 网络协议] 多种I/O函数

1. Linux的send&recv函数

1.1 send函数和recv函数

#include 
ssize_t send(
int sockfd,              //套接字文件描述符
const void* buf,         //保存待传输数据的缓冲地址值
size_t nbytes,           //待传输的字节数
int flags                //传输数据时指定的可选项信息
);
成功返回发送的字节数，失败返回-1

#include 
ssize_t recv(
int sockfd,              //套接字文件描述符
const void* buf,         //保存接收数据的缓冲地址值
size_t nbytes,           //接收的字节数
int flags                //接收数据时指定的可选项信息
);
成功返回发送的字节数，失败返回-1

Linux的send和recv函数与windows相比，实际差别不大。

1.2 flags参数(传输时指定的可选项信息)

可选项	含义	send	recv
MSG_OOB	用于传输带外数据(out-of-band data)	✔	✔
MSG_PEEK	验证输入缓冲中是否存在接收的数据	✘	✔
MSG_DONTROUTE	数据传输过程中不参照路由表，在本地网络中寻找目的地	✔	✘
MSG_DONTWAIT	调用I/O函数时不阻塞，用于非阻塞I/O	✔	✔
MSG_WAITALL	防止程序返回，直到接收全部请求的字节数	✘	✔

可以用过"|"运算，同时设置。

1.2.1 MSG_OOB（发送紧急消息）

发送端使用MSG_OOB：

send(sockfd,"123",strlen("123"),MSG_OOB);

紧急消息的发送比较简单，直接指定MSG_OOB可选项即可。

接收端使用MSG_OOB：

void Message_Handle(int signo)
{
    ......
    int recv_len=recv(clientfd,buff,sizeof(buff),MSG_OOB);
    ......
}

int main()
{
    sigaction act;
    act.sa_handler=Message_Handle;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags=0;
    ......
    fcntl(clientfd,F_SETOWN,getpid());    //（1）
    int state=sigaction(SIGURG,&act,0);   //（2）
    ......
}

fcntl函数的意义：将文件描述符clientfd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。

为什么要执行fcntl函数？

因为：如果通过了fork函数创建了子进程，此时文件描述符也会一并复制一份给子进程，这样的话，当SIGURG信号触发时，那应该用哪个进程来处理信号呢？所以这里要使用fcntl函数，来指定处理信号的进程是当前主进程。

综上，接收端使用MSG_OOB必须要有以下步骤：

1. 执行fcntl函数
2. 注册SIGURG信号
3. 在处理函数中接收紧急消息。

发送端顺序："123","4","567","890";
其中"4"、"890"是紧急消息

接收结果："123","4","567","0","89";

根据上述结果得知，MSG_OOB的作用，不像我们想象的那样，指定了紧急消息的信息会先到达。并且，我们发送的是一串紧急消息，但最终只读取了一个字节。

实际上，MSG_OOB的作用是：督促数据接收对象尽快处理数据，而不是让信息传输最快。（就像病人送去急诊，MSG_OOB的作用不是让病人尽快到达医院，而是当病人到达医院后，通知医生，让医生来紧急治疗这个病人。这个医生就是程序员）

这是因为，虽然OOB是需要通过单独的通信路径高速传输数据，但是TCP并不另外提供，TCP只是利用其紧急模式来进行传输。

TCP紧急模式工作原理：

当设置了MSG_OOB时，发送端的输出缓冲中的状态为如下形式：

以这个数据缓冲的最左端为偏移量0，基于这个偏移量，这个数据缓冲的尾部之后的一个位置，如上图中的偏移量为3的位置，就存有紧急指针，紧急指针指向紧急消息的下一个位置。当传递时，会告知对方主机，在这个紧急指针的前面的部分都是紧急消息。实际上，只用一个字节来表示紧急消息的信息。即发送端接收到紧急消息只会接收到“0”，而余下的部分，将会由常用输入函数(read)读取。

为什么收到的紧急消息不能直接读取0,90,890？

答：因为这些并不重要，URG_OOB的作用只是督促消息处理，而非紧急传输形式受限的消息。

1.2.2 MSG_PEEK和MSG_DONTWAIT

MSG_PEEK和MSG_DONTWAIT一般是通过"|"同时设置的，用来验证输入缓冲中是否存在接收的数据。但注意，设置了MSG_PEEK选项的recv函数时，读取了输入缓冲里的数据后，并不会删除这个数据。在下一次执行没有设置MSG_PEEK的recv函数时，会再一次读取，并在此次才会删除。所以两者合用，用以调用以非阻塞形式方式验证待读数据存在与否。

发送端:
write(sockfd,"123",strlen("123"));

接收端:
int rec_len=recv(sockfd,buff,sizeof(buff),MSG_PEEK|MSG_DONTWAIT);
//这时如果rec_len>0那么就意味着有数据存在。
//此时buff里存有数据123
recv(sockfd,buff,sizeof(buff),0);
//这时读取的buff里仍然是123，因为上一句使用了MSG_PEEK，没有将此数据从输入缓冲中删除。

2. readv&writev函数

#include
ssize_t writev(
int filedes,                //表示数据传输对象的套接字文件描述符，
                            //不仅仅可以是套接字文件描述符,
                            //也可以传递文件或标准输出描述符
const struct iovec* iov,    //iovec结构体数组的地址值，结构体中包含待发送数据的位置和大小
int iovcnt                  //向第二个参数传递的数组长度
);

#include
ssize_t readv(
int filedes,                //表示数据接收对象的套接字文件描述符，
                            //不仅仅可以是套接字文件描述符,
                            //也可以传递文件或标准输出描述符
const struct iovec* iov,    //iovec结构体数组的地址值，结构体中包含数据保存的位置和大小
int iovcnt                  //向第二个参数传递的数组长度
);

struct iovec
{
    void* iov_base;    //缓冲地址
    size_t iov_len;    //缓冲大小
}

readv和writev函数的主要作用是：提高数据通信效率，适当的使用，可以减少I/O函数的调用次数提高性能。

writev(1,ptr,2);

第一个参数1，表示是向控制台输出数据，第二个参数ptr，保存有待发送数据信息的iovec数组指针，第三个参数2，表示从ptr指向的地址开始，读取2个iovec结构体变量，发送这些数据指向的缓冲数据。如图：

如代码：

发送端:
int main()
{
    char buf1[]="ABCDEFG";
    char buf2[]="1234567";
    iovec vec[2];
    vec[0].iov_base=buf1;
    vec[0].iov_len=3;
    vec[1].iov_base=buf2;
    vec[1].iov_len=4;
    writev(1,vec,2);
}
控制台输出为:ABC1234

一次writev即可将两个缓冲buf里的数据分别按字节大小读取出来。

3. Windows的不同

3.1 MSG_OOB的读取与Linux不同

在windows操作系统中，没有如Linux那般的信号处理机制。所以在使用MSG_OOB时，Windows得做特殊处理。即使用select函数。在select函数中有个“发送异常的套接字”的参数，这里的异常指的是：不同寻常的程序执行流，所以收到的out-of-band数据也属于异常，所以利用这一特性，可以使用select函数来接收紧急消息。如代码：

发送端：
int main()
{
    ......
    send(hSocket,"4",1,MSG_OOB);
    ......
}
接收端：
int main()
{
    ......
    int result=select(0,&readCopy,0,&exceptCopy,&timeout);
    if(result>0)
    {
        if(FD_ISSET(hRecvSock, &exceptCopy)
        {
            stelen=recv(hRecvSock,buf,sizeof(buf),MSG_OOB);
            ......
        }
        ......
    }
    ......
}

 3.2 重叠I/O（实现Linux的writev和readv函数功能）