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一、TCP粘包現(xiàn)象

what?

TCP是個“流”協(xié)議，即沒有邊界。由于這個特性以及實際的網(wǎng)絡(luò)情況，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時假設(shè)我們連續(xù)調(diào)用send分別發(fā)送兩段數(shù)據(jù)data1和data2，在接收端有以下幾種代表性的情況：

先接收到data1，然后接收到data2。
先接收到data1的部分?jǐn)?shù)據(jù)，然后接收到data1余下的部分以及data2的全部。
先接收到data1的全部數(shù)據(jù)和data2的部分?jǐn)?shù)據(jù)，然后接收到data2余下的數(shù)據(jù)。
一次性接收到了data1和data2的全部數(shù)據(jù)。

其中，1是理想情況，也就是我們需要的。對于2,3,4的情況就是常說的“粘包”，就需要把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包，拆成一個個獨立的數(shù)據(jù)包，而為了拆包就必須在發(fā)送端進(jìn)行封包。

對于UDP來說不存在拆包問題，因為UDP是一個“數(shù)據(jù)包“協(xié)議，也就是兩段數(shù)據(jù)是有界限的，在接收端要么接收不到數(shù)據(jù)要么就是一段完整的數(shù)據(jù)，不會少接收也不會多接收。

這里，筆者在發(fā)送端連續(xù)發(fā)送4096個字節(jié)的數(shù)據(jù)，然后在接收端打印接收到的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，可以很明顯的看到出現(xiàn)了粘包現(xiàn)象。

receive num=2648
------------------------
receive num=1448
------------------------
receive num=2648
------------------------
receive num=2896
------------------------
receive num=1200
------------------------
receive num=1448
------------------------
receive num=2648
------------------------
receive num=2896
------------------------
receive num=1200
------------------------
receive num=1448
------------------------

why?

為什么會出現(xiàn)粘包這種現(xiàn)象呢，以下幾點原因。

由Nagle算法造成的發(fā)送端粘包。Nagle算法是一種改善網(wǎng)絡(luò)傳輸效率的算法，但也可能造成困擾。簡單的說，當(dāng)提交一端數(shù)據(jù)給TCP時，TCP并不立刻發(fā)送此段數(shù)據(jù)，而是等待一段時間，看看在等待期間是否還有要發(fā)送的數(shù)據(jù)，若有則會一次吧多段數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
接收端接收不及時造成的接收端粘包。TCP會把接收到的數(shù)據(jù)存在自己的緩沖區(qū)中，然后通知應(yīng)用層取數(shù)據(jù)。當(dāng)應(yīng)用層由于某些原因不能及時取出TCP的數(shù)據(jù)，就會造成TCP緩沖區(qū)中存放多段數(shù)據(jù)。
這種原因是筆者根據(jù)實踐得出的，不知道對不對。若發(fā)送端發(fā)送很大的數(shù)據(jù)包，比如4096字節(jié)，由于網(wǎng)卡和路由器中MTU的限制。MTU規(guī)定為1500字節(jié)，那么每次數(shù)據(jù)包要低于1500字節(jié)（除去IP頭部等字節(jié)），否則網(wǎng)口以及網(wǎng)絡(luò)傳輸途徑中路由器等會自動對其進(jìn)行分包操作。造成接收端并不能一次接收到發(fā)送的字節(jié)數(shù)。

附：

TCP粘包和拆包產(chǎn)生的原因

應(yīng)用程序?qū)懭霐?shù)據(jù)的字節(jié)大小大于套接字發(fā)送緩沖區(qū)的大小
進(jìn)行MSS大小的TCP分段。MSS是最大報文段長度的縮寫。MSS是TCP報文段中的數(shù)據(jù)字段的最大長度。數(shù)據(jù)字段加上TCP首部才等于整個的TCP報文段。所以MSS并不是TCP報文段的最大長度，而是：MSS=TCP報文段長度-TCP首部長度
以太網(wǎng)的payload大于MTU進(jìn)行IP分片。MTU指：一種通信協(xié)議的某一層上面所能通過的最大數(shù)據(jù)包大小。如果IP層有一個數(shù)據(jù)包要傳，而且數(shù)據(jù)的長度比鏈路層的MTU大，那么IP層就會進(jìn)行分片，把數(shù)據(jù)包分成若干片，讓每一片都不超過MTU。注意，IP分片可以發(fā)生在原始發(fā)送端主機(jī)上，也可以發(fā)生在中間路由器上。

二、封包和解包

How?

最初解決“粘包”的問題，采用在兩次send之間調(diào)用sleep休眠小一段時間來解決，缺點是顯而易見的：傳輸效率大大降低，而且也并不可靠。

對數(shù)據(jù)包進(jìn)行封包和解包就能解決這個問題：

封包就是給一段數(shù)據(jù)加上包頭，這樣一來數(shù)據(jù)包就分為包頭和包體兩部分內(nèi)容了（可加上包尾）。包頭其實是一個大小固定的結(jié)構(gòu)體，其中有個結(jié)構(gòu)體成員變量表示包體的長度，這是個很重要的變量，其他的結(jié)構(gòu)體成員可根據(jù)需要自己定義。根據(jù)固定的包頭長度以及包頭中含有的包體長度變量值就能正確的拆分出一個完整的數(shù)據(jù)包。

利用底層的緩沖區(qū)來進(jìn)行拆包時，由于TCP也維護(hù)了一個緩沖區(qū)，所以可以利用TCP的緩沖區(qū)來拆包，也就是循環(huán)不停地接收包頭給出的數(shù)據(jù)，直到收夠為止，這就是一個完整的TCP包。
三、代碼示例

為了解決“粘包”問題，大家通常會在所發(fā)送的內(nèi)容前，加上發(fā)送內(nèi)容的長度，所以對方會先收到4Byte，解析獲得接下來所需要接收的長度，再進(jìn)行收包。

當(dāng)然這個代碼中還有一些待改進(jìn)的地方：我們并不能保證接收到的4Byte數(shù)據(jù)正好表示的是數(shù)據(jù)的實際長度，改進(jìn)辦法是在包頭這個結(jié)構(gòu)體變量里添加表示數(shù)據(jù)頭的標(biāo)志。

發(fā)送端：

#include < stdio.h >
#include < stdlib.h >
#include < string.h >
#include < unistd.h >
#include < sys/types.h >
#include < sys/socket.h >
#include < netinet/in.h >
#include < arpa/inet.h >
#include < errno.h >
/*
客戶端給服務(wù)端發(fā)送一個字符串，由于雙方都不知道這個字符串有多長，因此發(fā)送數(shù)據(jù)前的前面4個字節(jié)表示字符串的大小
數(shù)據(jù)格式：4字節(jié)（存儲字符串實際長度） + 字符串內(nèi)容
*/
/*
該函數(shù)能夠發(fā)送指定長度的數(shù)據(jù)。一次發(fā)送不完，可以接著發(fā)送，直到發(fā)送完指定長度為止
*/
int MySend( int iSock, char * pchBuf, size_t tLen){
        int iThisSend;
        unsigned int iSended=0;//has send bytes
        if(tLen == 0)
               return(0);
        while(iSended< tLen){
              do{
                     iThisSend = send(iSock, pchBuf, tLen-iSended, 0);//this time  
              } while((iThisSend< 0) && (errno==EINTR));
               if(iThisSend < 0){
                      return(iSended);
              }
              iSended += iThisSend;
              pchBuf += iThisSend;
       }
        return(tLen);
}

#define DEFAULT_PORT 6666

int main( int argc, char * argv[]){
    int connfd = 0;
    int cLen = 0;
    struct sockaddr_in client;
    if(argc < 2){
        printf(" Uasge: clientent [server IP address]n");
        return -1;
    }
    client.sin_family = AF_INET;
    client.sin_port = htons(DEFAULT_PORT);
    client.sin_addr.s_addr = inet_addr(argv[1]);
    connfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if(connfd < 0){
        printf("socket() failure!n" );
        return -1;
    }

    if(connect(connfd, (struct sockaddr*)&client, sizeof(client)) < 0){
        printf("connect() failure!n" );
        return -1;
    }
	//
    ssize_t writeLen;
    char *sendMsg = "0123456789";
    int tLen=strlen(sendMsg);
    printf("tLen:%dn" ,tLen);
    int iLen=0;
    char * pBuff= new char [100];
    *(int*)(pBuff+iLen)= htonl(tLen);
    iLen+=sizeof( int);
    memcpy(pBuff+iLen,sendMsg,tLen);
    iLen+=tLen;
    writeLen= MySend(connfd, pBuff, iLen);
    if (writeLen < 0) {
       printf("write failedn" );
       close(connfd);
       return 0;
    }
    else{
       printf("write sucess, writelen :%d, sendMsg:%sn",writeLen,sendMsg);
    }
    close(connfd);
    return 0;
}

服務(wù)器端：

#include < sys/types.h >
#include < sys/socket.h >
#include < netinet/in.h >
#include < arpa/inet.h >
#include < unistd.h >
#include < stdio.h >
#include < stdlib.h >
#include < strings.h >
#include < sys/wait.h >
#include < string.h >
#include < errno.h >

/*
該函數(shù)能夠接受指定長度(字節(jié))的數(shù)據(jù)。循環(huán)接收，直到接受完指定數(shù)量為止。
*/
int MyRecv( int iSock, char * pchBuf, size_t tCount){
        size_t tBytesRead=0;
        int iThisRead;
        while(tBytesRead < tCount){
              do{
                     iThisRead = read(iSock, pchBuf, tCount-tBytesRead);
              } while((iThisRead< 0) && (errno==EINTR));
              if(iThisRead < 0){
                      return(iThisRead);
              }else if (iThisRead == 0)
                      return(tBytesRead);
              tBytesRead += iThisRead;
              pchBuf += iThisRead;
       }
}

#define DEFAULT_PORT 6666
int main( int argc, char ** argv){
    int sockfd,acceptfd; /* 監(jiān)聽socket: sock_fd,數(shù)據(jù)傳輸socket: acceptfd */
    struct sockaddr_in my_addr; /* 本機(jī)地址信息 */
    struct sockaddr_in their_addr; /* 客戶地址信息 */
    unsigned int sin_size, myport=6666, lisnum=10;
    if ((sockfd = socket(AF_INET , SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
       perror("socket" );
       return -1;
    }

    printf("socket ok n");
    my_addr.sin_family=AF_INET;
    my_addr.sin_port=htons(DEFAULT_PORT);
    my_addr.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY;
    bzero(&(my_addr.sin_zero), 0);

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&my_addr, sizeof(struct sockaddr )) == -1) {
        perror("bind" );
        return -2;
    }

    printf("bind ok n");
    if (listen(sockfd, lisnum) == -1) {
        perror("listen" );
        return -3;
    }
    printf("listen ok n");
    char recvMsg[10];
    sin_size = sizeof(my_addr);
    acceptfd = accept(sockfd,(struct sockaddr *)&my_addr,&sin_size);
    if (acceptfd < 0) {
       close(sockfd);
       printf("accept failedn" );
       return -4;
    }

    ssize_t readLen = MyRecv(acceptfd, recvMsg, sizeof( int));
    if (readLen < 0) {
       printf("read failedn" );
       return -1;
    }

    int len=( int)ntohl(*( int*)recvMsg);
    printf("len:%dn",len);
    readLen = MyRecv(acceptfd, recvMsg, len);
    if (readLen < 0) {
       printf("read failedn" );
       return -1;
    }
    recvMsg[len]='?';//接收到的數(shù)據(jù)并沒有結(jié)束符'?',因此需要加上結(jié)束符'?
    printf("recvMsg:%sn" ,recvMsg);
    close(acceptfd);
    return 0;
  }

Makefile：

all:tcpServer tcpClient
tcpServer:tcpServer.o
	gcc -g -o tcpServer tcpServer.o
tcpClient:tcpClient.o
	gcc -g -o tcpClient tcpClient.o
tcpServer.o:tcpServer.c
	gcc -g -c tcpServer.c
tcpClient.o:tcpClient.c
	gcc -g -c tcpClient.c
clean:all
	rm all

運行截圖：

四、總結(jié)思考

這篇文章一個非常核心的代碼就是readn和writen函數(shù)，說白了，就一直讀，讀到指定的字節(jié)數(shù)為止。其實，在recv函數(shù)中，最后參數(shù)如果是MSG_WAITALL, 那么就可以用recv函數(shù)一行代碼，替代上述所有代碼。

大家可以對比下代碼：

ssize_t readn(int fd, void *buf, int n)
{
	size_t nleft = n;   // left的意思是“剩下”, 而非“左邊”
	char *bufptr = buf;
	ssize_t nread;
	while(nleft > 0)
	{
		if((nread = read(fd, bufptr, n)) < 0)
		{
			if(errno == EINTR) 	// 遇到中斷
			{ 
				continue;   // 或者用 nread = 0;
			}
			else
			{
				return -1;  // 真正錯誤
			}
		}
		else if(nread == 0) // 對端關(guān)閉
		{
			break;
		}

		nleft -= nread;
		bufptr += nread;
	}

	return (n - nleft);
}


//一句話代碼（MSG_WAITALL），前提套接字是阻塞的
 while ((num = recv(connectfd, recvbuf+buf_pos, recv_size,MSG_WAITALL)) > 0) {
 }

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