Linux编程之socket:tcp流协议产生的粘包问题及解决方法

首先说明的是发送端可以是一K一K地发送数据，而接收端的应用程序可以两K两K地提走数据，当然也有可能一次提走3K或6K数据，或者一次只提走几个字节的数据，也就是说，应用程序所看到的数据是一个整体，或说是一个流（stream），一条消息有多少字节对应用程序是不可见的，因此TCP协议是面向流的协议，这也是容易出现粘包问题的原因。而UDP是面向消息的协议，每个UDP段都是一条消息，应用程序必须以消息为单位提取数据，不能一次提取任意字节的数据，这一点和TCP是很不同的。怎样定义消息呢？可以认为对方一次性write/send的数据为一个消息，需要明白的是当对方send一条信息的时候，无论底层怎样分段分片，TCP协议层会把构成整条消息的数据包排序完成后才呈现在内核缓冲区，所谓粘包问题主要还是因为接收方不知道消息之间的界限，不知道一次性提取多少字节的数据所造成的。此外，发送方引起的粘包是由TCP协议本身造成的，TCP为提高传输效率，发送方往往要收集到足够多的数据后才发送一个TCP段。若连续几次需要send的数据都很少，通常TCP会根据优化算法把这些数据合成一个TCP段后一次发送出去，这样接收方就收到了粘包数据。

一、粘包问题可以用下图来表示：

假设主机A send了两条消息M1和M2各10k给主机B，由于主机B一次接收的字节数是不确定的，接收方收到数据的情况可能是：

• 一次性收到20k 数据
• 分两次收到，第一次5k，第二次15k
• 分两次收到，第一次15k，第二次5k
• 分两次收到，第一次10k，第二次10k
• 分三次收到，第一次6k，第二次8k，第三次6k
• 其他任何可能

二、粘包问题的解决方案

本质上是要在应用层维护消息与消息的边界（下文的“包”可以认为是“消息”）
1、定长包
2、包尾加\r\n（ftp）
3、包头加上包体长度

4、更复杂的应用层协议

对于条目2，缺点是如果消息本身含有\r\n字符，则也分不清消息的边界。

对于条目1，即我们需要发送和接收定长包。因为TCP协议是面向流的，read和write调用的返回值往往小于参数指定的字节数。对于read调用（套接字标志为阻塞），如果接收缓冲区中有20字节，请求读100个字节，就会返回20。对于write调用，如果请求写100个字节，而发送缓冲区中只有20个字节的空闲位置，那么write会阻塞，直到把100个字节全部交给发送缓冲区才返回。为避免这些情况干扰主程序的逻辑，确保读写我们所请求的字节数，我们实现了两个包装函数readn和writen，如下所示。

//readn函数包装了read函数，用于读取定长包
ssize_t readn(int fd, void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;//所要读取的字节数
    ssize_t nread;
    char *bufp = (char *)buf;//指向buf缓冲区

    while (nleft > 0)//读取数据，若读取到buf的字节与请求的字节相同，则直接返回请求字节数
    {

        if ((nread = read(fd, bufp, nleft)) < 0)
        {

            if (errno == EINTR)
                continue;
            return -1;
        }

        else if (nread == 0) //对方关闭或者已经读到eof
            return count - nleft;//返回实际读取的字节数，在此应该小于请求读取的字节数

        bufp += nread;
        nleft -= nread;
    }

    return count;
}

//writen函数包装了write函数，用于写入定长包
ssize_t writen(int fd, const void *buf, size_t count)
{
    size_t nleft = count;
    ssize_t nwritten;
    char *bufp = (char *)buf;

    while (nleft > 0)
    {

        if ((nwritten = write(fd, bufp, nleft)) < 0)
        {

            if (errno == EINTR)
                continue;
            return -1;
        }

        else if (nwritten == 0)//没有写满buf缓冲区，继续写入数据
            continue;

        bufp += nwritten;
        nleft -= nwritten;
    }
    return count;
}

需要注意的是一旦在我们的客户端/服务器程序中使用了这两个函数，则每次读取和写入的大小应该是一致的，比如设置为1024个字节，但定长包的问题在于不能根据实际情况读取数据，可能会造成网络阻塞，比如现在我们只是敲入了几个字符，却还是得发送1024个字节，造成极大的空间浪费。

此时条目3是比较好的解决办法，其实也可以算是自定义的一种简单应用层协议。比如我们可以自定义一个包体结构

struct packet {
    int len;
    char buf[1024];
};

先接收固定的4个字节，从中得知实际数据的长度n，再调用readn 读取n个字符，这样数据包之间有了界定，且不用发送定长包浪费网络资源，是比较好的解决方案。服务器端在前面的 fork程序的基础上把do_service函数更改如下：

void do_service(int conn)
{
    struct packet recvbuf;
    int n;
    while (1)
    {
        memset(&recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
        int ret = readn(conn, &recvbuf.len, 4);
        if (ret == -1)
            ERR_EXIT("read error");
        else if (ret < 4)   //客户端关闭
        {
            printf("client close\n");
            break;
        }

        n = ntohl(recvbuf.len);
        ret = readn(conn, recvbuf.buf, n);
        if (ret == -1)
            ERR_EXIT("read error");
        if (ret < n)   //客户端关闭
        {
            printf("client close\n");
            break;
        }

        fputs(recvbuf.buf, stdout);
        writen(conn, &recvbuf, 4 + n);
    }
}

对于条目4，举例如如TLV 编解码格式

struct TLV
{
    uint8_t tag;
    uint16_t len;
    char value[0];
}__attribute__((packed));

注意value分配的是0大小，最后一个成员为可变长的数组（c99中的柔性数组），对于TLV（Type-Length-Value）形式的结构，或者其他需要变长

度的结构体，用这种方式定义最好。使用起来非常方便，创建时，malloc一段结构体大小加上可变长数据长度的空间给它，可变长部分可按数组的方式

访问，释放时，直接把整个结构体free掉就可以了。__attribute__(packed)用来强制不对struct TLV进行4字节对齐，目的是为了获取真实的TLV的

空间使用情况。

int main(void)
{
    char *szMsg = "aaaaaaaaa";
    cout << sizeof(TLV) << endl; //the size of TLV
    uint16_t len = strlen(szMsg) + 1;
    struct TLV *pTLV;
    pTLV = (struct TLV *)malloc(sizeof(struct TLV) + sizeof(char) * len);
    pTLV->tag = 0x2;
    pTLV->len = len;
    memcpy(pTLV->value, szMsg, len);
    cout << pTLV->value << endl;
    free(pTLV);
    pTLV = NULL;
    return 0;
}

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