完成了第 13 章多种 I/O 函数

2026-02-02 17:48:55 +08:00 · 2019-01-26 23:06:34 +08:00
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--- a/README.md
+++ b/README.md
@@ -3382,6 +3382,7 @@ flags: 传输数据时指定的可选项信息
 #include <sys/socket.h>
 ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t nbytes, int flags);
 /*
+成功时返回接收的字节数（收到 EOF 返回 0），失败时返回 -1
 sockfd: 表示数据接受对象的连接的套接字文件描述符
 buf: 保存接受数据的缓冲地址值
 nbytes: 可接收的最大字节数
@@ -3465,6 +3466,211 @@ send(sock, "890", strlen("890"), MSG_OOB);

 ![](https://i.loli.net/2019/01/26/5c4beeae46b4e.png)

+TCP 数据包实际包含更多信息。TCP 头部包含如下两种信息：
+
+- URG=1：载有紧急消息的数据包
+- URG指针：紧急指针位于偏移量为 3 的位置。
+
+指定 MSG_OOB 选项的数据包本身就是紧急数据包，并通过紧急指针表示紧急消息所在的位置。
+
+紧急消息的意义在于督促消息处理，而非紧急传输形式受限的信息。
+
+#### 13.1.4 检查输入缓冲
+
+同时设置 MSG_PEEK 选项和 MSG_DONTWAIT 选项，以验证输入缓冲是否存在接收的数据。设置 MSG_PEEK 选项并调用 recv 函数时，即使读取了输入缓冲的数据也不会删除。因此，该选项通常与 MSG_DONTWAIT 合作，用于调用以非阻塞方式验证待读数据存与否的函数。下面的示例是二者的含义：
+
+- [peek_recv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/peek_recv.c)
+- [peek_send.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/peek_send.c)
+
+编译运行：
+
+```
+gcc peek_recv.c -o recv
+gcc peek_send.c -o send
+./recv 9190
+./send 127.0.0.1 9190
+```
+
+结果：
+
+![](https://i.loli.net/2019/01/26/5c4c0d1dc83af.png)
+
+可以通过结果验证，仅发送了一次的数据被读取了 2 次，因为第一次调用 recv 函数时设置了 MSG_PEEK 可选项。
+
+### 13.2 readv & writev 函数
+
+#### 13.2.1 使用 readv & writev 函数
+
+readv & writev 函数的功能可概括如下：
+
+> 对数据进行整合传输及发送的函数
+
+也就是说，通过 writev 函数可以将分散保存在多个缓冲中的数据一并发送，通过 readv 函数可以由多个缓冲分别接收。因此，适用这 2 个函数可以减少 I/O 函数的调用次数。下面先介绍 writev 函数。
+
+```c
+#include <sys/uio.h>
+ssize_t writev(int filedes, const struct iovec *iov, int iovcnt);
+/*
+成功时返回发送的字节数，失败时返回 -1
+filedes: 表示数据传输对象的套接字文件描述符。但该函数并不仅限于套接字，因此，可以像 read 一样向向其传递文件或标准输出描述符.
+iov: iovec 结构体数组的地址值，结构体 iovec 中包含待发送数据的位置和大小信息
+iovcnt: 向第二个参数传递数组长度
+*/
+```
+
+上述第二个参数中出现的数组 iovec 结构体的声明如下：
+
+```c
+struct iovec
+{
+    void *iov_base; //缓冲地址
+    size_t iov_len; //缓冲大小
+};
+```
+
+下图是该函数的使用方法：
+
+![](https://i.loli.net/2019/01/26/5c4c61b07d207.png)
+
+writev 的第一个参数，是文件描述符，因此向控制台输出数据，ptr 是存有待发送数据信息的 iovec 数组指针。第三个参数为 2，因此，从 ptr 指向的地址开始，共浏览 2 个 iovec 结构体变量，发送这些指针指向的缓冲数据。
+
+下面是 writev 函数的使用方法：
+
+- [writev.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/writev.c)
+
+```c
+#include <stdio.h>
+#include <sys/uio.h>
+int main(int argc, char *argv[])
+{
+    struct iovec vec[2];
+    char buf1[] = "ABCDEFG";
+    char buf2[] = "1234567";
+    int str_len;
+
+    vec[0].iov_base = buf1;
+    vec[0].iov_len = 3;
+    vec[1].iov_base = buf2;
+    vec[1].iov_len = 4;
+
+    str_len = writev(1, vec, 2);
+    puts("");
+    printf("Write bytes: %d \n", str_len);
+    return 0;
+}
+```
+
+编译运行：
+
+```shell
+gcc writev.c -o writev
+./writevi
+```
+
+结果：
+
+```
+ABC1234
+Write bytes: 7
+```
+
+下面介绍 readv 函数，功能和 writev 函数正好相反.函数为：
+
+```c
+#include <sys/uio.h>
+ssize_t readv(int filedes, const struct iovc *iov, int iovcnt);
+/*
+成功时返回接收的字节数，失败时返回 -1
+filedes: 表示数据传输对象的套接字文件描述符。但该函数并不仅限于套接字，因此，可以像 read 一样向向其传递文件或标准输出描述符.
+iov: iovec 结构体数组的地址值，结构体 iovec 中包含待发送数据的位置和大小信息
+iovcnt: 向第二个参数传递数组长度
+*/
+```
+
+下面是示例代码：
+
+- [readv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/readv.c)
+
+```c
+#include <stdio.h>
+#include <sys/uio.h>
+#define BUF_SIZE 100
+
+int main(int argc, char *argv[])
+{
+    struct iovec vec[2];
+    char buf1[BUF_SIZE] = {
+        0,
+    };
+    char buf2[BUF_SIZE] = {
+        0,
+    };
+    int str_len;
+
+    vec[0].iov_base = buf1;
+    vec[0].iov_len = 5;
+    vec[1].iov_base = buf2;
+    vec[1].iov_len = BUF_SIZE;
+
+    str_len = readv(0, vec, 2);
+    printf("Read bytes: %d \n", str_len);
+    printf("First message: %s \n", buf1);
+    printf("Second message: %s \n", buf2);
+    return 0;
+}
+
+```
+
+编译运行：
+
+```shell
+gcc readv.c -o rv
+./rv
+```
+
+运行结果：
+
+![](https://i.loli.net/2019/01/26/5c4c718555398.png)
+
+从图上可以看出，首先截取了长度为 5 的数据输出，然后再输出剩下的。
+
+#### 13.2.2 合理使用 readv & writev 函数
+
+实际上，能使用该函数的所有情况都适用。例如，需要传输的数据分别位于不同缓冲（数组）时，需要多次调用 write 函数。此时可通过 1 次 writev 函数调用替代操作，当然会提高效率。同样，需要将输入缓冲中的数据读入不同位置时，可以不必多次调用 read 函数，而是利用 1 次 readv 函数就能大大提高效率。
+
+其意义在于减少数据包个数。假设为了提高效率在服务器端明确禁用了 Nagle 算法。其实 writev 函数在不采用 Nagle 算法时更有价值，如图：
+
+![](https://i.loli.net/2019/01/26/5c4c731323e19.png)
+
+### 13.3 基于 Windows 的实现
+
+暂略
+
+### 13.4 习题
+
+> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。
+>
+
+1. **下列关于 MSG_OOB 可选项的说法错误的是**？
+
+   答：以下加粗的字体代表说法正确。
+
+   1. MSG_OOB 指传输 Out-of-band 数据，是通过其他路径高速传输数据
+   2. MSG_OOB 指通过其他路径高速传输数据，因此 TCP 中设置该选项的数据先到达对方主机
+   3. **设置 MSG_OOB 是数据先到达对方主机后，以普通数据的形式和顺序读取。也就是说，只是提高了传输速度，接收方无法识别这一点**。
+   4. **MSG_OOB 无法脱离 TCP 的默认数据传输方式，即使脱离了 MSG_OOB ，也会保持原有的传输顺序。该选项只用于要求接收方紧急处理**。
+
+2. **利用 readv & writev 函数收发数据有何优点？分别从函数调用次数和 I/O 缓冲的角度给出说明**。
+
+   答：需要传输的数据分别位于不同缓冲（数组）时，需要多次调用 write 函数。此时可通过 1 次 writev 函数调用替代操作，当然会提高效率。同样，需要将输入缓冲中的数据读入不同位置时，可以不必多次调用 read 函数，而是利用 1 次 readv 函数就能大大提高效率。
+
+3. **通过 recv 函数验证输入缓冲中是否存在数据时（确认后立即返回时），如何设置 recv 函数最后一个参数中的可选项？分别说明各可选项的含义**。
+
+   答：使用 MSG_PEEK 来验证输入缓冲中是否存在待接收的数据。各个可选项的意义参见上面对应章节的表格。
+
+## 第 14 章 多播与广播
+
+



--- a/ch13/README.md
+++ b/ch13/README.md
@@ -1 +1,313 @@
-13.
+### 第 13 章 多种 I/O 函数
+
+本章代码，在[TCP-IP-NetworkNote](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote)中可以找到。
+
+### 13.1 send & recv 函数
+
+#### 13.1.1 Linux 中的 send & recv
+
+首先看 sned 函数定义：
+
+```c
+#include <sys/socket.h>
+ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags);
+/*
+成功时返回发送的字节数，失败时返回 -1
+sockfd: 表示与数据传输对象的连接的套接字和文件描述符
+buf: 保存带传输数据的缓冲地址值
+nbytes: 待传输字节数
+flags: 传输数据时指定的可选项信息
+*/
+```
+
+下面是 recv 函数的定义：
+
+```c
+#include <sys/socket.h>
+ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t nbytes, int flags);
+/*
+成功时返回接收的字节数（收到 EOF 返回 0），失败时返回 -1
+sockfd: 表示数据接受对象的连接的套接字文件描述符
+buf: 保存接受数据的缓冲地址值
+nbytes: 可接收的最大字节数
+flags: 接收数据时指定的可选项参数
+*/
+```
+
+send 和 recv 函数都是最后一个参数是收发数据的可选项，该选项可以用位或（bit OR）运算符（| 运算符）同时传递多个信息。
+
+send & recv 函数的可选项意义：
+
+| 可选项（Option） | 含义                                                         | send | recv |
+| ---------------- | ------------------------------------------------------------ | ---- | ---- |
+| MSG_OOB          | 用于传输带外数据（Out-of-band data）                         | O    | O    |
+| MSG_PEEK         | 验证输入缓冲中是否存在接受的数据                             | X    | O    |
+| MSG_DONTROUTE    | 数据传输过程中不参照本地路由（Routing）表，在本地（Local）网络中寻找目的地 | O    | X    |
+| MSG_DONTWAIT     | 调用 I/O 函数时不阻塞，用于使用非阻塞（Non-blocking）I/O     | O    | O    |
+| MSG_WAITALL      | 防止函数返回，直到接收到全部请求的字节数                     | X    | O    |
+
+#### 13.1.2 MSG_OOB：发送紧急消息
+
+MSG_OOB 可选项用于创建特殊发送方法和通道以发送紧急消息。下面为 MSG_OOB 的示例代码：
+
+- [oob_recv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/oob_recv.c)
+- [oob_send.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/oob_send.c)
+
+编译运行：
+
+```shell
+gcc oob_send.c -o send
+gcc oob_recv.c -o recv
+```
+
+运行结果：
+
+![](https://i.loli.net/2019/01/26/5c4bda167ae08.png)
+
+![](https://i.loli.net/2019/01/26/5c4bdb4d99823.png)
+
+从运行结果可以看出，send 是客户端，recv 是服务端，客户端给服务端发送消息，服务端接收完消息之后显示出来。可以从图中看出，每次运行的效果，并不是一样的。
+
+代码中关于:
+
+```c
+fcntl(recv_sock, F_SETOWN, getpid());
+```
+
+的意思是：
+
+> 文件描述符 recv_sock 指向的套接字引发的 SIGURG 信号处理进程变为 getpid 函数返回值用作 ID 进程.
+
+上述描述中的「处理 SIGURG 信号」指的是「调用 SIGURG 信号处理函数」。但是之前讲过，多个进程可以拥有 1 个套接字的文件描述符。例如，通过调用 fork 函数创建子进程并同时复制文件描述符。此时如果发生 SIGURG 信号，应该调用哪个进程的信号处理函数呢？可以肯定的是，不会调用所有进程的信号处理函数。因此，处理 SIGURG 信号时必须指定处理信号所用的进程，而 getpid 返回的是调用此函数的进程 ID 。上述调用语句指当前为处理 SIGURG 信号的主体。
+
+输出结果，可能出乎意料：
+
+> 通过 MSG_OOB 可选项传递数据时只返回 1 个字节，而且也不快
+
+的确，通过 MSG_OOB 并不会加快传输速度，而通过信号处理函数 urg_handler 也只能读取一个字节。剩余数据只能通过未设置 MSG_OOB 可选项的普通输入函数读取。因为 TCP 不存在真正意义上的「外带数据」。实际上，MSG_OOB 中的 OOB 指的是 Out-of-band ，而「外带数据」的含义是：
+
+> 通过去完全不同的通信路径传输的数据
+
+即真正意义上的 Out-of-band 需要通过单独的通信路径高速传输数据，但是 TCP 不另外提供，只利用 TCP 的紧急模式（Urgent mode）进行传输。
+
+#### 13.1.3 紧急模式工作原理
+
+MSG_OOB 的真正意义在于督促数据接收对象尽快处理数据。这是紧急模式的全部内容，而 TCP 「保持传输顺序」的传输特性依然成立。TCP 的紧急消息无法保证及时到达，但是可以要求急救。下面是 MSG_OOB 可选项状态下的数据传输过程，如图：
+
+![](https://i.loli.net/2019/01/26/5c4be222845cc.png)
+
+上面是:
+
+```c
+send(sock, "890", strlen("890"), MSG_OOB);
+```
+
+图上是调用这个函数的缓冲状态。如果缓冲最左端的位置视作偏移量 0 。字符 0 保存于偏移量 2 的位置。另外，字符 0 右侧偏移量为 3 的位置存有紧急指针（Urgent Pointer）。紧急指针指向紧急消息的下一个位置（偏移量加一），同时向对方主机传递一下信息：
+
+> 紧急指针指向的偏移量为 3 之前的部分就是紧急消息。
+
+也就是说，实际上只用了一个字节表示紧急消息。这一点可以通过图中用于传输数据的 TCP 数据包（段）的结构看得更清楚，如图：
+
+![](https://i.loli.net/2019/01/26/5c4beeae46b4e.png)
+
+TCP 数据包实际包含更多信息。TCP 头部包含如下两种信息：
+
+- URG=1：载有紧急消息的数据包
+- URG指针：紧急指针位于偏移量为 3 的位置。
+
+指定 MSG_OOB 选项的数据包本身就是紧急数据包，并通过紧急指针表示紧急消息所在的位置。
+
+紧急消息的意义在于督促消息处理，而非紧急传输形式受限的信息。
+
+#### 13.1.4 检查输入缓冲
+
+同时设置 MSG_PEEK 选项和 MSG_DONTWAIT 选项，以验证输入缓冲是否存在接收的数据。设置 MSG_PEEK 选项并调用 recv 函数时，即使读取了输入缓冲的数据也不会删除。因此，该选项通常与 MSG_DONTWAIT 合作，用于调用以非阻塞方式验证待读数据存与否的函数。下面的示例是二者的含义：
+
+- [peek_recv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/peek_recv.c)
+- [peek_send.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/peek_send.c)
+
+编译运行：
+
+```
+gcc peek_recv.c -o recv
+gcc peek_send.c -o send
+./recv 9190
+./send 127.0.0.1 9190
+```
+
+结果：
+
+![](https://i.loli.net/2019/01/26/5c4c0d1dc83af.png)
+
+可以通过结果验证，仅发送了一次的数据被读取了 2 次，因为第一次调用 recv 函数时设置了 MSG_PEEK 可选项。
+
+### 13.2 readv & writev 函数
+
+#### 13.2.1 使用 readv & writev 函数
+
+readv & writev 函数的功能可概括如下：
+
+> 对数据进行整合传输及发送的函数
+
+也就是说，通过 writev 函数可以将分散保存在多个缓冲中的数据一并发送，通过 readv 函数可以由多个缓冲分别接收。因此，适用这 2 个函数可以减少 I/O 函数的调用次数。下面先介绍 writev 函数。
+
+```c
+#include <sys/uio.h>
+ssize_t writev(int filedes, const struct iovec *iov, int iovcnt);
+/*
+成功时返回发送的字节数，失败时返回 -1
+filedes: 表示数据传输对象的套接字文件描述符。但该函数并不仅限于套接字，因此，可以像 read 一样向向其传递文件或标准输出描述符.
+iov: iovec 结构体数组的地址值，结构体 iovec 中包含待发送数据的位置和大小信息
+iovcnt: 向第二个参数传递数组长度
+*/
+```
+
+上述第二个参数中出现的数组 iovec 结构体的声明如下：
+
+```c
+struct iovec
+{
+    void *iov_base; //缓冲地址
+    size_t iov_len; //缓冲大小
+};
+```
+
+下图是该函数的使用方法：
+
+![](https://i.loli.net/2019/01/26/5c4c61b07d207.png)
+
+writev 的第一个参数，是文件描述符，因此向控制台输出数据，ptr 是存有待发送数据信息的 iovec 数组指针。第三个参数为 2，因此，从 ptr 指向的地址开始，共浏览 2 个 iovec 结构体变量，发送这些指针指向的缓冲数据。
+
+下面是 writev 函数的使用方法：
+
+- [writev.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/writev.c)
+
+```c
+#include <stdio.h>
+#include <sys/uio.h>
+int main(int argc, char *argv[])
+{
+    struct iovec vec[2];
+    char buf1[] = "ABCDEFG";
+    char buf2[] = "1234567";
+    int str_len;
+
+    vec[0].iov_base = buf1;
+    vec[0].iov_len = 3;
+    vec[1].iov_base = buf2;
+    vec[1].iov_len = 4;
+
+    str_len = writev(1, vec, 2);
+    puts("");
+    printf("Write bytes: %d \n", str_len);
+    return 0;
+}
+```
+
+编译运行：
+
+```shell
+gcc writev.c -o writev
+./writevi
+```
+
+结果：
+
+```
+ABC1234
+Write bytes: 7
+```
+
+下面介绍 readv 函数，功能和 writev 函数正好相反.函数为：
+
+```c
+#include <sys/uio.h>
+ssize_t readv(int filedes, const struct iovc *iov, int iovcnt);
+/*
+成功时返回接收的字节数，失败时返回 -1
+filedes: 表示数据传输对象的套接字文件描述符。但该函数并不仅限于套接字，因此，可以像 read 一样向向其传递文件或标准输出描述符.
+iov: iovec 结构体数组的地址值，结构体 iovec 中包含待发送数据的位置和大小信息
+iovcnt: 向第二个参数传递数组长度
+*/
+```
+
+下面是示例代码：
+
+- [readv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/readv.c)
+
+```c
+#include <stdio.h>
+#include <sys/uio.h>
+#define BUF_SIZE 100
+
+int main(int argc, char *argv[])
+{
+    struct iovec vec[2];
+    char buf1[BUF_SIZE] = {
+        0,
+    };
+    char buf2[BUF_SIZE] = {
+        0,
+    };
+    int str_len;
+
+    vec[0].iov_base = buf1;
+    vec[0].iov_len = 5;
+    vec[1].iov_base = buf2;
+    vec[1].iov_len = BUF_SIZE;
+
+    str_len = readv(0, vec, 2);
+    printf("Read bytes: %d \n", str_len);
+    printf("First message: %s \n", buf1);
+    printf("Second message: %s \n", buf2);
+    return 0;
+}
+
+```
+
+编译运行：
+
+```shell
+gcc readv.c -o rv
+./rv
+```
+
+运行结果：
+
+![](https://i.loli.net/2019/01/26/5c4c718555398.png)
+
+从图上可以看出，首先截取了长度为 5 的数据输出，然后再输出剩下的。
+
+#### 13.2.2 合理使用 readv & writev 函数
+
+实际上，能使用该函数的所有情况都适用。例如，需要传输的数据分别位于不同缓冲（数组）时，需要多次调用 write 函数。此时可通过 1 次 writev 函数调用替代操作，当然会提高效率。同样，需要将输入缓冲中的数据读入不同位置时，可以不必多次调用 read 函数，而是利用 1 次 readv 函数就能大大提高效率。
+
+其意义在于减少数据包个数。假设为了提高效率在服务器端明确禁用了 Nagle 算法。其实 writev 函数在不采用 Nagle 算法时更有价值，如图：
+
+![](https://i.loli.net/2019/01/26/5c4c731323e19.png)
+
+### 13.3 基于 Windows 的实现
+
+暂略
+
+### 13.4 习题
+
+> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。
+>
+
+1. **下列关于 MSG_OOB 可选项的说法错误的是**？
+
+   答：以下加粗的字体代表说法正确。
+
+   1. MSG_OOB 指传输 Out-of-band 数据，是通过其他路径高速传输数据
+   2. MSG_OOB 指通过其他路径高速传输数据，因此 TCP 中设置该选项的数据先到达对方主机
+   3. **设置 MSG_OOB 是数据先到达对方主机后，以普通数据的形式和顺序读取。也就是说，只是提高了传输速度，接收方无法识别这一点**。
+   4. **MSG_OOB 无法脱离 TCP 的默认数据传输方式，即使脱离了 MSG_OOB ，也会保持原有的传输顺序。该选项只用于要求接收方紧急处理**。
+
+2. **利用 readv & writev 函数收发数据有何优点？分别从函数调用次数和 I/O 缓冲的角度给出说明**。
+
+   答：需要传输的数据分别位于不同缓冲（数组）时，需要多次调用 write 函数。此时可通过 1 次 writev 函数调用替代操作，当然会提高效率。同样，需要将输入缓冲中的数据读入不同位置时，可以不必多次调用 read 函数，而是利用 1 次 readv 函数就能大大提高效率。
+
+3. **通过 recv 函数验证输入缓冲中是否存在数据时（确认后立即返回时），如何设置 recv 函数最后一个参数中的可选项？分别说明各可选项的含义**。
+
+   答：使用 MSG_PEEK 来验证输入缓冲中是否存在待接收的数据。各个可选项的意义参见上面对应章节的表格。
--- a/ch13/readv.c
+++ b/ch13/readv.c
@@ -0,0 +1,26 @@
+#include <stdio.h>
+#include <sys/uio.h>
+#define BUF_SIZE 100
+
+int main(int argc, char *argv[])
+{
+    struct iovec vec[2];
+    char buf1[BUF_SIZE] = {
+        0,
+    };
+    char buf2[BUF_SIZE] = {
+        0,
+    };
+    int str_len;
+
+    vec[0].iov_base = buf1;
+    vec[0].iov_len = 5;
+    vec[1].iov_base = buf2;
+    vec[1].iov_len = BUF_SIZE;
+
+    str_len = readv(0, vec, 2);
+    printf("Read bytes: %d \n", str_len);
+    printf("First message: %s \n", buf1);
+    printf("Second message: %s \n", buf2);
+    return 0;
+}
--- a/ch13/writev.c
+++ b/ch13/writev.c
@@ -0,0 +1,20 @@
+#include <stdio.h>
+#include <sys/uio.h>
+
+int main(int argc, char *argv[])
+{
+    struct iovec vec[2];
+    char buf1[] = "ABCDEFG";
+    char buf2[] = "1234567";
+    int str_len;
+
+    vec[0].iov_base = buf1;
+    vec[0].iov_len = 3;
+    vec[1].iov_base = buf2;
+    vec[1].iov_len = 4;
+
+    str_len = writev(1, vec, 2);
+    puts("");
+    printf("Write bytes: %d \n", str_len);
+    return 0;
+}