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## 第 13 章 多种 I/O 函数
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本章代码，在[TCP-IP-NetworkNote](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote)中可以找到。
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### 13.1 send & recv 函数
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#### 13.1.1 Linux 中的 send & recv
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首先看 send 函数定义：
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```c
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#include <sys/socket.h>
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ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t nbytes, int flags);
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/*
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成功时返回发送的字节数，失败时返回 -1
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sockfd: 表示与数据传输对象的连接的套接字和文件描述符
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buf: 保存待传输数据的缓冲地址值
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nbytes: 待传输字节数
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flags: 传输数据时指定的可选项信息
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*/
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```
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下面是 recv 函数的定义：
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```c
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#include <sys/socket.h>
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ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t nbytes, int flags);
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/*
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成功时返回接收的字节数（收到 EOF 返回 0），失败时返回 -1
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sockfd: 表示数据接收对象的连接的套接字文件描述符
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buf: 保存接收数据的缓冲地址值
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nbytes: 可接收的最大字节数
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flags: 接收数据时指定的可选项参数
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*/
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```
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send 和 recv 函数的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。
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send & recv 函数的可选项意义：
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| 可选项（Option） | 含义 | send | recv |
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| ---------------- | ------------------------------------------------------------ | ---- | ---- |
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| MSG_OOB | 用于传输带外数据（Out-of-band data） | O | O |
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| MSG_PEEK | 验证输入缓冲中是否存在接收的数据 | X | O |
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| 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 |
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| 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 |
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| MSG_WAITALL | 防止函数返回，直到接收到全部请求的字节数 | X | O |
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#### 13.1.2 MSG_OOB：发送紧急消息
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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：
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- [oob_recv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/oob_recv.c)
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- [oob_send.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/oob_send.c)
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编译运行：
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```shell
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gcc oob_send.c -o send
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gcc oob_recv.c -o recv
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```
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运行结果：
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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。
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代码中关于:
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```c
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fcntl(recv_sock, F_SETOWN, getpid());
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```
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的意思是：
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> 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.
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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。
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输出结果，可能出乎意料：
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> 通过 MSG_OOB 可选项传递数据时只返回 1 个字节，而且也不快
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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：
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> 通过完全不同的通信路径传输的数据
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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。
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#### 13.1.3 紧急模式工作原理
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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：
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上面是:
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```c
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send(sock, "890", strlen("890"), MSG_OOB);
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```
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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以下信息：
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> 紧急指针指向的偏移量为 3 之前的部分就是紧急消息。
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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：
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TCP 数据包实际包含更多信息。TCP 头部包含如下两种信息：
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- URG=1：载有紧急消息的数据包
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- URG指针：紧急指针位于偏移量为 3 的位置。
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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。
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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。
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#### 13.1.4 检查输入缓冲
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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 配合，用于以非阻塞方式验证待读数据存在与否。下面的示例是二者的含义：
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- [peek_recv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/peek_recv.c)
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- [peek_send.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/peek_send.c)
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编译运行：
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```shell
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gcc peek_recv.c -o recv
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gcc peek_send.c -o send
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./recv 9190
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./send 127.0.0.1 9190
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```
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结果：
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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。
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### 13.2 readv & writev 函数
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#### 13.2.1 使用 readv & writev 函数
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readv & writev 函数的功能可概括如下：
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> 对数据进行整合传输及发送的函数
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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。
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```c
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#include <sys/uio.h>
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ssize_t writev(int filedes, const struct iovec *iov, int iovcnt);
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/*
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成功时返回发送的字节数，失败时返回 -1
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||
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 一样向其传递文件或标准输出描述符.
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||
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
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||
iovcnt: 向第二个参数传递数组长度
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*/
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```
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上述第二个参数中出现的数组 iovec 结构体的声明如下：
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```c
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struct iovec
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{
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void *iov_base; //缓冲地址
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size_t iov_len; //缓冲大小
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};
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```
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下图是该函数的使用方法：
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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。
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下面是 writev 函数的使用方法：
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- [writev.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/writev.c)
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```c
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#include <stdio.h>
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#include <sys/uio.h>
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int main(int argc, char *argv[])
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{
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struct iovec vec[2];
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char buf1[] = "ABCDEFG";
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char buf2[] = "1234567";
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int str_len;
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vec[0].iov_base = buf1;
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vec[0].iov_len = 3;
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vec[1].iov_base = buf2;
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vec[1].iov_len = 4;
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str_len = writev(1, vec, 2);
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puts("");
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printf("Write bytes: %d \n", str_len);
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return 0;
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}
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```
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编译运行：
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```shell
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gcc writev.c -o writev
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./writev
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```
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结果：
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```
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ABC1234
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Write bytes: 7
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```
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下面介绍 readv 函数，功能和 writev 函数正好相反.函数为：
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```c
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#include <sys/uio.h>
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ssize_t readv(int filedes, const struct iovec *iov, int iovcnt);
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/*
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成功时返回接收的字节数，失败时返回 -1
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||
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 write 一样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 中包含待数据保存的位置和大小信息
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||
iovcnt: 第二个参数中数组的长度
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*/
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```
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下面是示例代码：
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- [readv.c](https://github.com/riba2534/TCP-IP-NetworkNote/blob/master/ch13/readv.c)
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```c
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#include <stdio.h>
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#include <sys/uio.h>
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#define BUF_SIZE 100
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int main(int argc, char *argv[])
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{
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struct iovec vec[2];
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char buf1[BUF_SIZE] = {
|
||
0,
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||
};
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||
char buf2[BUF_SIZE] = {
|
||
0,
|
||
};
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int str_len;
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||
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vec[0].iov_base = buf1;
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vec[0].iov_len = 5;
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vec[1].iov_base = buf2;
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vec[1].iov_len = BUF_SIZE;
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str_len = readv(0, vec, 2);
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printf("Read bytes: %d \n", str_len);
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printf("First message: %s \n", buf1);
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printf("Second message: %s \n", buf2);
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return 0;
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||
}
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```
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编译运行：
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```shell
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gcc readv.c -o rv
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./rv
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```
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运行结果：
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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。
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#### 13.2.2 合理使用 readv & writev 函数
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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。
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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：
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### 13.3 基于 Windows 的实现
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Windows 下的 Winsock 提供了与 Linux 类似的 I/O 函数，主要有以下区别：
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#### 13.3.1 send 和 recv 函数
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Winsock 中的 send 和 recv 函数原型与 Linux 基本一致：
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```c
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#include <winsock2.h>
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int send(SOCKET s, const char *buf, int len, int flags);
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int recv(SOCKET s, char *buf, int len, int flags);
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```
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主要区别：
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- 参数类型：Linux 使用 `int sockfd`，Windows 使用 `SOCKET s`（实际是 `typedef UINT_PTR SOCKET;`）
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- 缓冲区类型：Linux 使用 `void *`，Windows 使用 `char *`
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- 返回值：Linux 返回 `ssize_t`，Windows 返回 `int`（失败时返回 `SOCKET_ERROR`，即 -1）
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#### 13.3.2 WSASend、WSARecv 和 WSARecvEx
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Windows 还提供了扩展版本的异步 I/O 函数：
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```c
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int WSASend(SOCKET s, LPWSABUF lpBuffers, DWORD dwBufferCount,
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LPDWORD lpNumberOfBytesSent, DWORD dwFlags,
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LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,
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LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine);
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int WSARecv(SOCKET s, LPWSABUF lpBuffers, DWORD dwBufferCount,
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LPDWORD lpNumberOfBytesRecvd, LPDWORD lpFlags,
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LPWSAOVERLAPPED lpOverlapped,
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||
LPWSAOVERLAPPED_COMPLETION_ROUTINE lpCompletionRoutine);
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```
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这些函数支持重叠 I/O（Overlapped I/O）和完成端口（Completion Port）模型，适合高性能服务器开发。
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#### 13.3.3 可选项差异
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Windows 与 Linux 在可选项上存在一些差异：
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| 可选项 | Linux | Windows |
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| ------ | ----- | ------- |
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| MSG_OOB | 支持 | 支持 |
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| MSG_PEEK | 支持 | 支持 |
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| MSG_DONTWAIT | 支持 | 不支持（需通过 ioctlsocket 设置非阻塞模式） |
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| MSG_WAITALL | 支持 | 支持 |
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| MSG_PARTIAL | 不支持 | 支持（仅用于流式套接字） |
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Windows 不支持 MSG_DONTWAIT，需要通过 `ioctlsocket` 函数设置套接字为非阻塞模式：
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```c
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u_long mode = 1;
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ioctlsocket(sock, FIONBIO, &mode);
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```
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### 13.4 习题
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> 以下答案仅代表本人个人观点，可能不是正确答案。
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1. **下列关于 MSG_OOB 可选项的说法错误的是**？
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答：以下加粗的字体代表说法正确。
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1. MSG_OOB 指传输 Out-of-band 数据，是通过其他路径高速传输数据
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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
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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**。
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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**。
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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**。
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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。
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从 I/O 缓冲的角度来看，writev 函数可以将分散的数据整合为一次系统调用，减少用户态与内核态之间的上下文切换次数，同时减少网络数据包的个数（尤其在禁用 Nagle 算法时效果更明显）。
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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**。
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答：应同时设置 `MSG_PEEK` 和 `MSG_DONTWAIT` 两个可选项。
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各可选项的含义：
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- **MSG_PEEK**：验证输入缓冲中是否存在待接收的数据。设置此选项后，recv 函数会读取输入缓冲中的数据但不会将其删除（数据仍保留在缓冲中），可以再次读取。
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- **MSG_DONTWAIT**：调用 I/O 函数时不阻塞，用于非阻塞（Non-blocking）I/O。设置此选项后，如果输入缓冲中没有数据，recv 函数会立即返回错误（errno 设为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK），而不是阻塞等待。
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示例代码：
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```c
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int len = recv(sockfd, buf, sizeof(buf), MSG_PEEK | MSG_DONTWAIT);
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if (len > 0) {
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// 缓冲中有数据
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} else if (len == 0) {
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// 连接已关闭
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} else {
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||
// 无数据或出错
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||
}
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||
```
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