TCP粘包問題的產生
由於TCP協議是基於字節流並且無邊界的傳輸協議, 因此很有可能產生粘包問題。此外，發送方引起的粘包是由TCP協議本身造成的，TCP為提高傳輸效率，發送方往往要收集到足夠多的數據後才發送一個TCP段。若連續幾次需要send的數據都很少，通常TCP會根據優化算法把這些數據合成一個TCP段後一次發送出去，但是接收方並不知道要一次接收多少字節的數據，這樣接收方就收到了粘包數據。具體可以見下圖：
假設主機A send了兩條消息M1和M2 各10k 給主機B，由於主機B一次提取的字節數是不確定的，接收方提取數據的情況可能是：
? 一次性提取20k 數據粘包問題產生的多種原因：
1、SQ_SNDBUF 套接字本身有緩沖區大小的限制 （發送緩沖區、接受緩沖區）
2、TCP傳送的端 MSS大小限制
3、鏈路層也有MTU大小限制，如果數據包大於>MTU要在IP層進行分片，導致數據分割。
4、TCP的流量控制和擁塞控制，也可能導致粘包
5、文章開始提到的TCP延遲確認機制等
注: 關於MTU和MSS
MSS指的是TCP中的一個概念。MTU是一個沒有固定到特定OSI層的概念，不受其他特定協議限制。也就是說第二層會有MTU，第三層會有MTU，像MPLS這樣的第2.5層協議，也有自己的MTU值。並且不同層之間存在關聯關系。舉個例子：如果你要搬家，需要把東西打包，用車運走。這樣的情況下，車的大小受路的寬度限制；箱子的大小受車限制；能夠搬運的東西的大小受箱子的限制。這時可以將路的寬度理解成第二層的MTU，車的大小理解成第三層的MTU，箱子的大小理解成第四層的MTU，搬運的東西理解成MSS。
粘包問題的解決方案（本質上是要在應用層維護消息和消息之間的邊界）
(1)定長包
該方式並不實用: 如果所定義的長度過長, 則會浪費網絡帶寬,增加網絡負擔；而又如果定義的長度過短, 則一條消息又會拆分成為多條, 僅在TCP的應用一層就增加了合並的開銷。
(2)包尾加\r\n（FTP使用方案）
如果消息本身含有\r\n字符，則也分不清消息的邊界;
(3)報文長度+報文內容，自定義包結構
(4)更復雜的應用層協議
注：簡單的使用 setsockopt 設置開啟TCP_NODELAY禁用 Nagle’s Algorithm可以解決上述第5個問題（延遲確認機制）。
static void _set_tcp_nodelay(int fd) {
int enable = 1;
setsockopt(fd, IPPROTO_TCP, TCP_NODELAY, (void*)&enable, sizeof(enable));
}
著名的Nginx服務器 默認是開啟了這個選項的.....
因為TCP協議是面向流的，read和write調用的返回值往往小於參數指定的字節數。對於read調用（套接字標志為阻塞），如果接收緩沖區中有20字節，請求讀100個字節，就會返回20；對於write調用，如果請求寫100個字節，而發送緩沖區中只有20個字節的空閒位置，那麼write會阻塞，直到把100個字節全部交給發送緩沖區才返回；還有信號中斷之後需要處理為 繼續讀寫；為避免這些情況干擾主程序的邏輯，確保讀寫我們所請求的字節數，我們實現了兩個包裝函數readn和writen，如下所示。
/**實現:
這兩個函數只是按需多次調用read和write系統調用直至讀/寫了count個數據
**/
/**返回值說明:
== count: 說明正確返回, 已經真正讀取了count個字節
== -1 : 讀取出錯返回
< count: 讀取到了末尾
**/
ssize_t readn(int fd, void *buf, size_t count)
{
size_t nLeft = count;
ssize_t nRead = 0;
char *pBuf = (char *)buf;
while (nLeft > 0)
{
if ((nRead = read(fd, pBuf, nLeft)) < 0)
{
//如果讀取操作是被信號打斷了, 則說明還可以繼續讀
if (errno == EINTR)
continue;
//否則就是其他錯誤
else
return -1;
}
//讀取到末尾
else if (nRead == 0)
return count-nLeft;
//正常讀取
nLeft -= nRead;
pBuf += nRead;
}
return count;
}
/**返回值說明:
== count: 說明正確返回, 已經真正寫入了count個字節
== -1 : 寫入出錯返回
**/
ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t count)
{
size_t nLeft = count;
ssize_t nWritten = 0;
char *pBuf = (char *)buf;
while (nLeft > 0)
{
if ((nWritten = write(fd, pBuf, nLeft)) < 0)
{
//如果寫入操作是被信號打斷了, 則說明還可以繼續寫入
if (errno == EINTR)
continue;
//否則就是其他錯誤
else
return -1;
}
//如果 ==0則說明是什麼也沒寫入, 可以繼續寫
else if (nWritten == 0)
continue;
//正常寫入
nLeft -= nWritten;
pBuf += nWritten;
}
return count;
}
發報文時:前四個字節長度+報文內容一次性發送;
收報文時:先讀前四個字節，求出報文內容長度；根據長度讀數據
自定義包結構：
struct Packet
{
unsigned int msgLen; //數據部分的長度(注：這是網絡字節序)
char text[1024]; //報文的數據部分
};
//echo 回射client端發送與接收代碼
...
struct Packet buf;
memset(&buf, 0, sizeof(buf));
while (fgets(buf.text, sizeof(buf.text), stdin) != NULL)
{
/**寫入部分**/
unsigned int lenHost = strlen(buf.text);
buf.msgLen = htonl(lenHost);
if (writen(sockfd, &buf, sizeof(buf.msgLen)+lenHost) == -1)
err_exit("writen socket error");
/**讀取部分**/
memset(&buf, 0, sizeof(buf));
//首先讀取首部
ssize_t readBytes = readn(sockfd, &buf.msgLen, sizeof(buf.msgLen));
if (readBytes == -1)
err_exit("read socket error");
else if (readBytes != sizeof(buf.msgLen))
{
cerr << "server connect closed... \nexiting..." << endl;
break;
}
//然後讀取數據部分
lenHost = ntohl(buf.msgLen);
readBytes = readn(sockfd, buf.text, lenHost);
if (readBytes == -1)
err_exit("read socket error");
else if (readBytes != lenHost)
{
cerr << "server connect closed... \nexiting..." << endl;
break;
}
//將數據部分打印輸出
cout << buf.text;
memset(&buf, 0, sizeof(buf));
}
...
//server端echo部分的改進代碼
void echo(int clientfd)
{
struct Packet buf;
int readBytes;
//首先讀取首部
while ((readBytes = readn(clientfd, &buf.msgLen, sizeof(buf.msgLen))) > 0)
{
//網絡字節序 -> 主機字節序
int lenHost = ntohl(buf.msgLen);
//然後讀取數據部分
readBytes = readn(clientfd, buf.text, lenHost);
if (readBytes == -1)
err_exit("readn socket error");
else if (readBytes != lenHost)
{
cerr << "client connect closed..." << endl;
return ;
}
cout << buf.text;
//然後將其回寫回socket
if (writen(clientfd, &buf, sizeof(buf.msgLen)+lenHost) == -1)
err_exit("write socket error");
memset(&buf, 0, sizeof(buf));
}
if (readBytes == -1)
err_exit("read socket error");
else if (readBytes != sizeof(buf.msgLen))
cerr << "client connect closed..." << endl;
}
注：網絡字節序和本機字節序之間是必要的轉換。 按行讀取（由\r\n判斷）
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags); ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);與read相比，recv只能用於套接字文件描述符,但是多了一個flags，這個flags能夠幫助我們實現解決粘包問題的操作。
MSG_PEEK(可以讀數據，但不從緩存區中讀走[僅僅是一瞥]，利用此特點可以方便的實現按行讀取數據;一個一個字符的讀,多次調用系統調用read方法,效率不高，但是可以判斷'\n')。
This flag causes the receive operation to return data from the beginning of
the receive queue without removing that data from the queue. Thus, a subsequent
receive call will return the same data.
readline實現思想:
在readline函數中，我們先用recv_peek”偷窺” 一下現在緩沖區有多少個字符並讀取到pBuf，然後查看是否存在換行符'\n'。如果存在，則使用readn連同換行符一起讀取(作用相當於清空socket緩沖區); 如果不存在，也清空一下緩沖區, 且移動pBuf的位置，回到while循環開頭，再次窺看。注意，當我們調用readn讀取數據時，那部分緩沖區是會被清空的，因為readn調用了read函數。還需注意一點是，如果第二次才讀取到了'\n'，則先用returnCount保存了第一次讀取的字符個數，然後返回的ret需加上原先的數據大小。
/**示例: 通過MSG_PEEK封裝一個recv_peek函數(僅查看數據, 但不取走)**/
ssize_t recv_peek(int sockfd, void *buf, size_t len)
{
while (true)
{
int ret = recv(sockfd, buf, len, MSG_PEEK);
//如果recv是由於被信號打斷, 則需要繼續(continue)查看
if (ret == -1 && errno == EINTR)
continue;
return ret;
}
}
/**使用recv_peek實現按行讀取readline(只能用於socket)**/
/** 返回值說明:
== 0: 對端關閉
== -1: 讀取出錯
其他: 一行的字節數(包含'\n')
**/
ssize_t readline(int sockfd, void *buf, size_t maxline)
{
int ret;
int nRead = 0;
int returnCount = 0;
char *pBuf = (char *)buf;
int nLeft = maxline;
while (true)
{
ret = recv_peek(sockfd, pBuf, nLeft);
//如果查看失敗或者對端關閉, 則直接返回
if (ret <= 0)
return ret;
nRead = ret;
for (int i = 0; i < nRead; ++i)
//在當前查看的這段緩沖區中含有'\n', 則說明已經可以讀取一行了
if (pBuf[i] == '\n')
{
//則將緩沖區內容讀出
//注意是i+1: 將'\n'也讀出
ret = readn(sockfd, pBuf, i+1);
if (ret != i+1)
exit(EXIT_FAILURE);
return ret + returnCount;
}
// 如果在查看的這段消息中沒有發現'\n', 則說明還不滿足一條消息,
// 在將這段消息從緩沖中讀出之後, 還需要繼續查看
ret = readn(sockfd, pBuf, nRead);;
if (ret != nRead)
exit(EXIT_FAILURE);
pBuf += nRead;
nLeft -= nRead;
returnCount += nRead;
}
//如果程序能夠走到這裡, 則說明是出錯了
return -1;
}
...
char buf[512] = {0};
memset(buf, 0, sizeof(buf));
while (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) != NULL)
{
if (writen(sockfd, buf, strlen(buf)) == -1)
err_exit("writen error");
memset(buf, 0, sizeof(buf));
int readBytes = readline(sockfd, buf, sizeof(buf));
if (readBytes == -1)
err_exit("readline error");
else if (readBytes == 0)
{
cerr << "server connect closed..." << endl;
break;
}
cout << buf;
memset(buf, 0, sizeof(buf));
}
...
void echo(int clientfd)
{
char buf[512] = {0};
int readBytes;
while ((readBytes = readline(clientfd, buf, sizeof(buf))) > 0)
{
cout << buf;
if (writen(clientfd, buf, readBytes) == -1)
err_exit("writen error");
memset(buf, 0, sizeof(buf));
}
if (readBytes == -1)
err_exit("readline error");
else if (readBytes == 0)
cerr << "client connect closed..." << endl;
}
