TCP粘包、拆包与解决方案、C++ 实现

说明：

TCP（transport control protocol，传输控制协议）是面向连接的，面向流的，提供高可靠性服务。收发两端（客户端和服务器端）都要有一一成对的socket，因此，发送端为了将多个发往接收端的包，更有效的发到对方，使用了优化方法（Nagle算法），将多次间隔较小且数据量小的数据，合并成一个大的数据块，然后进行封包。这样，接收端，就难于分辨出来了，必须提供科学的拆包机制。即面向流的通信是无消息保护边界的。

TCP粘包、拆包图解

假设客户端分别发送了两个数据包D1和D2给服务端，由于服务端一次读取到字节数是不确定的，故可能存在以下四种情况：

服务端分两次读取到了两个独立的数据包，分别是D1和D2，没有粘包和拆包
服务端一次接受到了两个数据包，D1和D2粘合在一起，称之为TCP粘包
服务端分两次读取到了数据包，第一次读取到了完整的D1包和D2包的部分内容，第二次读取到了D2包的剩余内容，这称之为TCP拆包
服务端分两次读取到了数据包，第一次读取到了D1包的部分内容D1_1，第二次读取到了D1包的剩余部分内容D1_2和完整的D2包。

发生原因：

socket缓冲区与滑动窗口
MSS/MTU限制
Nagle算法

解决方案：定义通信协议

通过定义应用的协议(protocol)来解决。协议的作用就定义传输数据的格式。这样在接受到的数据的时候，如果粘包了，就可以根据这个格式来区分不同的包，如果拆包了，就等待数据可以构成一个完整的消息来处理。目前业界主流的协议(protocol)方案可以归纳如下：

定长协议：
假设我们规定每3个字节，表示一个有效报文，如果我们分4次总共发送以下9个字节：

    +---+----+------+----+| A | BC | DEFG | HI |+---+----+------+----+

那么根据协议，我们可以判断出来，这里包含了3个有效的请求报文

 +-----+-----+-----+| ABC | DEF | GHI |+-----+-----+-----+

特殊字符分隔符协议
在包尾部增加回车或者空格符等特殊字符进行分割
例如，按行解析，遇到字符\n、\r\n的时候，就认为是一个完整的数据包。对于以下二进制字节流：

 +--------------+| ABC\nDEF\r\n |+--------------+

那么根据协议，我们可以判断出来，这里包含了2个有效的请求报文

 +-----+-----+| ABC | DEF |+-----+-----+

长度编码：
将消息分为消息头和消息体，消息头中用一个int型数据(4字节)，表示消息体长度的字段。在解析时，先读取内容长度Length，其值为实际消息体内容(Content)占用的字节数，之后必须读取到这么多字节的内容，才认为是一个完整的数据报文。

 header    body
+--------+----------+
| Length | Content |
+--------+----------+

长度编码方案C++ 实现：

 关于数据包的包头大小可以根据自己的实际需求进行设定，这里没有啥特殊需求，因此规定包头的固定大小为4个字节，用于存储当前数据块的总字节数。

发送端：
数据的发送分为 4 步：

根据待发送的数据长度 N 动态申请一块固定大小的内存：N+4（4 是包头占用的字节数）
将待发送数据的总长度写入申请的内存的前四个字节中，此处需要将其转换为网络字节序（大端）
将待发送的数据拷贝到包头后边的地址空间中，将完整的数据包发送出去（字符串没有字节序问题）
释放申请的堆内存。

/*
函数描述: 发送指定的字节数
函数参数:- fd: 通信的文件描述符(套接字)- msg: 待发送的原始数据- size: 待发送的原始数据的总字节数
函数返回值: 函数调用成功返回发送的字节数, 发送失败返回-1
*/
int writen(int fd, const char* msg, int size)
{const char* buf = msg;int count = size;while (count > 0){int len = send(fd, buf, count, 0);if (len == -1){close(fd);return -1;}else if (len == 0){continue;}buf += len;count -= len;}return size;
}/*
函数描述: 发送带有数据头的数据包
函数参数:- cfd: 通信的文件描述符(套接字)- msg: 待发送的原始数据- len: 待发送的原始数据的总字节数
函数返回值: 函数调用成功返回发送的字节数, 发送失败返回-1
*/
int sendMsg(int cfd, char* msg, int len)
{if(msg == NULL || len <= 0 || cfd <=0){return -1;}// 申请内存空间: 数据长度 + 包头4字节(存储数据长度)char* data = (char*)malloc(len+4);int bigLen = htonl(len);memcpy(data, &bigLen, 4);memcpy(data+4, msg, len);// 发送数据int ret = writen(cfd, data, len+4);// 释放内存free(data);return ret;
}

接收端：

首先接收 4 字节数据，并将其从网络字节序转换为主机字节序，这样就得到了即将要接收的数据的总长度
根据得到的长度申请固定大小的堆内存，用于存储待接收的数据
根据得到的数据块长度接收固定数目的数据保存到申请的堆内存中
处理接收的数据
释放存储数据的堆内存

/*
函数描述: 接收指定的字节数
函数参数:- fd: 通信的文件描述符(套接字)- buf: 存储待接收数据的内存的起始地址- size: 指定要接收的字节数
函数返回值: 函数调用成功返回发送的字节数, 发送失败返回-1
*/
int readn(int fd, char* buf, int size)
{char* pt = buf;int count = size;while (count > 0){int len = recv(fd, pt, count, 0);if (len == -1){return -1;}else if (len == 0){return size - count;}pt += len;count -= len;}return size;
}/*
函数描述: 接收带数据头的数据包
函数参数:- cfd: 通信的文件描述符(套接字)- msg: 一级指针的地址，函数内部会给这个指针分配内存，用于存储待接收的数据，这块内存需要使用者释放
函数返回值: 函数调用成功返回接收的字节数, 发送失败返回-1
*/
int recvMsg(int cfd, char** msg)
{// 接收数据// 1. 读数据头int len = 0;readn(cfd, (char*)&len, 4);len = ntohl(len);printf("数据块大小: %d\n", len);// 根据读出的长度分配内存，+1 -> 这个字节存储\0char *buf = (char*)malloc(len+1);int ret = readn(cfd, buf, len);if(ret != len){close(cfd);free(buf);return -1;}buf[len] = '\0';*msg = buf;return ret;
}

这样，在进行套接字通信的时候通过调用封装的 sendMsg() 和 recvMsg() 就可以发送和接收带数据头的数据包了，而且完美地解决了粘包的问题。