一、TCP粘包現(xiàn)象

what?

TCP是個(gè)“流”協(xié)議，即沒(méi)有邊界。由于這個(gè)特性以及實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)情況，在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)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：

1. 先接收到data1，然后接收到data2。
2. 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。
3. 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)。
4. 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(duì)于2,3,4的情況就是常說(shuō)的“粘包”，就需要把接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行拆包，拆成一個(gè)個(gè)獨(dú)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(duì)于UDP來(lái)說(shuō)不存在拆包問(wèn)題，因?yàn)閁DP是一個(gè)“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(huì)少接收也不會(huì)多接收。

這里，筆者在發(fā)送端連續(xù)發(fā)送4096個(gè)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(huì)出現(xiàn)粘包這種現(xiàn)象呢，以下幾點(diǎn)原因。

1. 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(jiǎn)單的說(shuō)，當(dāng)提交一端數(shù)據(jù)給TCP時(shí)，TCP并不立刻發(fā)送此段數(shù)據(jù)，而是等待一段時(shí)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(huì)一次吧多段數(shù)據(jù)發(fā)送出去。
2. 接收端接收不及時(shí)造成的接收端粘包。TCP會(huì)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(shí)取出TCP的數(shù)據(jù)，就會(huì)造成TCP緩沖區(qū)中存放多段數(shù)據(jù)。
3. 這種原因是筆者根據(jù)實(shí)踐得出的，不知道對(duì)不對(duì)。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(huì)自動(dòng)對(duì)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

1. 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
2. 進(jìn)行MSS大小的TCP分段。MSS是最大報(bào)文段長(zhǎng)度的縮寫。MSS是TCP報(bào)文段中的數(shù)據(jù)字段的最大長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)字段加上TCP首部才等于整個(gè)的TCP報(bào)文段。所以MSS并不是TCP報(bào)文段的最大長(zhǎng)度，而是：MSS=TCP報(bào)文段長(zhǎng)度-TCP首部長(zhǎng)度
3. 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(guò)的最大數(shù)據(jù)包大小。如果IP層有一個(gè)數(shù)據(jù)包要傳，而且數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度比鏈路層的MTU大，那么IP層就會(huì)進(jìn)行分片，把數(shù)據(jù)包分成若干片，讓每一片都不超過(guò)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(wèn)題，采用在兩次send之間調(diào)用sleep休眠小一段時(shí)間來(lái)解決，缺點(diǎn)是顯而易見(jiàn)的：傳輸效率大大降低，而且也并不可靠。

對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行封包和解包就能解決這個(gè)問(wèn)題：

封包就是給一段數(shù)據(jù)加上包頭，這樣一來(lái)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(shí)是一個(gè)大小固定的結(jié)構(gòu)體，其中有個(gè)結(jié)構(gòu)體成員變量表示包體的長(zhǎng)度，這是個(gè)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(zhǎng)度以及包頭中含有的包體長(zhǎng)度變量值就能正確的拆分出一個(gè)完整的數(shù)據(jù)包。

利用底層的緩沖區(qū)來(lái)進(jìn)行拆包時(shí)，由于TCP也維護(hù)了一個(gè)緩沖區(qū)，所以可以利用TCP的緩沖區(qū)來(lái)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?yàn)橹?，這就是一個(gè)完整的TCP包。
三、代碼示例

為了解決“粘包”問(wèn)題，大家通常會(huì)在所發(fā)送的內(nèi)容前，加上發(fā)送內(nèi)容的長(zhǎng)度，所以對(duì)方會(huì)先收到4Byte，解析獲得接下來(lái)所需要接收的長(zhǎng)度，再進(jìn)行收包。

當(dāng)然這個(gè)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(shí)際長(zhǎng)度，改進(jìn)辦法是在包頭這個(gè)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(gè)字符串，由于雙方都不知道這個(gè)字符串有多長(zhǎng)，因此發(fā)送數(shù)據(jù)前的前面4個(gè)字節(jié)表示字符串的大小
數(shù)據(jù)格式：4字節(jié)（存儲(chǔ)字符串實(shí)際長(zhǎng)度） + 字符串內(nèi)容
*/
/*
該函數(shù)能夠發(fā)送指定長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(tīng)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(méi)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(yùn)行截圖：

四、總結(jié)思考

這篇文章一個(gè)非常核心的代碼就是readn和writen函數(shù)，說(shuō)白了， 就一直讀， 讀到指定的字節(jié)數(shù)為止。其實(shí)， 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(duì)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(cuò)誤
			}
		}
		else if(nread == 0) // 對(duì)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) {
 }