一、send() 函数概述

1.1 定义与作用

send() 函数用于将数据发送到已建立连接的套接字上，主要用于 面向连接的套接字（如 TCP）。它提供了比 write() 更丰富的功能，可以通过参数指定发送行为。

1.2 函数原型

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#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

二、send() 函数的参数与返回值

2.1 参数解析

  • sockfd：套接字文件描述符，由 socket() 函数创建并返回，表示通信的端点。
  • buf：指向要发送的数据缓冲区的指针。
  • len：要发送的数据长度（字节数）。
  • flags：发送选项，控制发送行为。常用的标志包括：
    • 0：默认，无特殊选项。
    • MSG_DONTWAIT：非阻塞发送。
    • MSG_NOSIGNAL：避免发送 SIGPIPE 信号。

2.2 返回值

  • 成功：返回实际发送的字节数。
  • 失败：返回 -1，并设置 errno，指示具体的错误原因。

三、send() 函数的工作原理

3.1 数据发送过程

  1. 用户空间到内核空间：send() 将用户空间的数据复制到内核空间的发送缓冲区。
  2. 发送缓冲区管理：如果发送缓冲区已满，send() 会阻塞（阻塞模式）或返回错误（非阻塞模式）。
  3. 协议处理：内核协议栈处理数据，根据协议（如 TCP）进行封装和传输。
  4. 数据传输：通过网络将数据发送到目标主机。

3.2 阻塞与非阻塞行为

  • 阻塞模式：当发送缓冲区已满时，send() 会阻塞，直到有足够空间。
  • 非阻塞模式：send() 立即返回，若无法发送，则返回 -1，并设置 errno 为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。

3.3 与 write() 的区别

  • 功能：send() 提供了 flags 参数，可控制发送行为；write() 没有此功能。
  • 适用范围：send() 专用于套接字通信；write() 可用于文件、管道等。

四、send() 的使用示例

4.1 发送字符串数据

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#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/socket.h>

int send_message(int sockfd, const char *message) {
    size_t len = strlen(message);
    ssize_t sent_bytes = send(sockfd, message, len, 0);
    if (sent_bytes < 0) {
        perror("send failed");
        return -1;
    } else if (sent_bytes != len) {
        fprintf(stderr, "Partial send: %zd bytes sent\n", sent_bytes);
        // 根据需要处理剩余数据
    }
    return 0;
}

4.2 处理发送缓冲区满的情况

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ssize_t send_all(int sockfd, const void *buf, size_t len) {
    size_t total_sent = 0;
    const char *ptr = (const char *)buf;
    while (total_sent < len) {
        ssize_t sent = send(sockfd, ptr + total_sent, len - total_sent, 0);
        if (sent <= 0) {
            if (sent < 0 && (errno == EINTR || errno == EAGAIN || errno == EWOULDBLOCK)) {
                // 被信号中断或缓冲区满，继续尝试
                continue;
            } else {
                // 发生错误
                perror("send failed");
                return -1;
            }
        }
        total_sent += sent;
    }
    return total_sent;
}

五、使用注意事项

5.1 部分发送与循环发送

  • 现象：send() 可能无法一次发送完所有数据，需循环发送。
  • 原因：网络拥塞、发送缓冲区限制等。
  • 解决方案：在发送数据时，使用循环，不断调用 send()，直到所有数据发送完毕。

5.2 信号中断

  • 问题：send() 可能被信号中断（EINTR），需要处理此情况。
  • 解决方案：在收到 EINTR 时，重新调用 send()。

5.3 SIGPIPE 信号

  • 现象：向已关闭的套接字发送数据，会触发 SIGPIPE 信号，默认行为是终止进程。

  • 解决方案：

    • 捕获并忽略 SIGPIPE 信号：

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      #include <signal.h>
signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

    • 使用 MSG_NOSIGNAL 标志：

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      send(sockfd, buf, len, MSG_NOSIGNAL);

5.4 非阻塞模式处理

  • 问题：在非阻塞套接字上，send() 可能返回 -1，并设置 errno 为 EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。
  • 解决方案：在程序中处理这种情况，采用异步或事件驱动方式。

六、常见问题

6.1 忘记检查返回值

  • 问题：未检查 send() 的返回值，无法确定数据是否成功发送。
  • 建议：始终检查返回值，处理可能的错误和部分发送情况。

6.2 缓冲区管理不当

  • 问题：未考虑发送缓冲区的容量，导致程序阻塞或数据丢失。
  • 解决方案：在高并发或大量数据传输时，合理设置发送缓冲区大小，或使用非阻塞模式结合事件通知。

6.3 数据完整性

  • 问题：未处理部分发送，导致数据丢失或不完整。
  • 解决方案：实现循环发送，确保所有数据都被发送。

6.4 数据序列化与协议设计

  • 问题：直接发送复杂数据结构，可能导致数据不一致或兼容性问题。
  • 解决方案：对数据进行序列化，设计良好的通信协议，确保数据的可解析性和兼容性。

七、send() 函数的高级用法

7.1 使用 flags 控制发送行为

  • MSG_DONTWAIT：非阻塞发送，即使套接字未设置为非阻塞模式。
  • MSG_OOB：发送带外数据（紧急数据），用于 TCP 套接字的紧急模式。
  • MSG_EOR：标记数据的结束，用于记录分界。

7.2 发送文件描述符（UNIX 域套接字）

  • 场景：在 UNIX 域套接字中，可以通过 sendmsg() 发送文件描述符，实现进程间共享文件描述符。
  • 实现：构造 msghdr 结构体，使用控制消息（cmsghdr）传递文件描述符。

7.3 高级 I/O 模型的结合

  • 异步 I/O：结合 epoll、kqueue 等机制，实现高性能的网络通信。
  • 零拷贝发送：使用 sendfile() 函数，可以将文件数据直接从内核空间发送，减少数据拷贝，提高效率。

八、拓展资料：关键概念解释

8.1 套接字缓冲区

  • 发送缓冲区：内核为每个套接字维护的缓冲区，用于存储待发送的数据。
  • 接收缓冲区：用于存储接收到但未被应用程序读取的数据。
  • 设置缓冲区大小：可以使用 setsockopt() 函数设置 SO_SNDBUF 和 SO_RCVBUF，调整缓冲区大小。

8.2 阻塞与非阻塞模式

  • 阻塞模式：默认模式，I/O 操作会阻塞，直到完成或发生错误。

  • 非阻塞模式：I/O 操作立即返回，若无法完成，则返回错误。

  • 设置非阻塞模式：

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    #include <fcntl.h>
int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

8.3 I/O 多路复用

  • 概念：使用单个线程或进程监控多个文件描述符的状态，提高资源利用率。
  • 常用机制：select()、poll()、epoll()、kqueue() 等。
  • 应用场景：高并发网络服务器，实时性要求高的应用。

8.4 信号处理

  • SIGPIPE 信号：向已关闭的套接字发送数据，会触发此信号。
  • 处理方式：
    • 忽略信号：signal(SIGPIPE, SIG_IGN);
    • 屏蔽信号：使用 sigaction() 函数。
    • 使用 MSG_NOSIGNAL 标志，避免触发信号。

九、示例代码：完整的客户端发送程序

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#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <errno.h>
#include <signal.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

#define SERVER_IP   "127.0.0.1"
#define SERVER_PORT 8080

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_in server_addr;
    const char *message = "Hello, Server!";
    size_t message_len = strlen(message);

    // 忽略 SIGPIPE 信号
    signal(SIGPIPE, SIG_IGN);

    // 创建套接字
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        perror("socket creation failed");
        return -1;
    }

    // 设置非阻塞模式
    int flags = fcntl(sockfd, F_GETFL, 0);
    fcntl(sockfd, F_SETFL, flags | O_NONBLOCK);

    // 设置服务器地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERVER_PORT);
    inet_pton(AF_INET, SERVER_IP, &server_addr.sin_addr);

    // 连接服务器
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) < 0) {
        if (errno != EINPROGRESS) {
            perror("connect failed");
            close(sockfd);
            return -1;
        }
    }

    // 使用 select 等待连接完成
    fd_set wfds;
    FD_ZERO(&wfds);
    FD_SET(sockfd, &wfds);
    struct timeval tv = {5, 0}; // 超时 5 秒

    int ret = select(sockfd + 1, NULL, &wfds, NULL, &tv);
    if (ret <= 0) {
        fprintf(stderr, "connect timeout or error\n");
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 检查连接是否成功
    int error = 0;
    socklen_t len = sizeof(error);
    getsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_ERROR, &error, &len);
    if (error != 0) {
        fprintf(stderr, "connect failed: %s\n", strerror(error));
        close(sockfd);
        return -1;
    }

    // 发送数据
    ssize_t sent = send(sockfd, message, message_len, MSG_NOSIGNAL);
    if (sent < 0) {
        perror("send failed");
    } else {
        printf("Sent %zd bytes to server\n", sent);
    }

    // 关闭套接字
    close(sockfd);
    return 0;
}