Beej's Guide to Network Programming 系列連載 14：send() 與 recv() — 資料收發核心

前言：連線建立後的核心操作

經過 socket()、bind()/connect()、listen()/accept()，我們終於擁有了可通訊的 connected socket。send() 與 recv() 是串流式套接字 (TCP) 的資料收發主力，也可用於資料報套接字 (UDP)。

send() — 發送資料

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

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

參數說明

• sockfd：connected socket 描述符 (來自 socket() 或 accept())
• buf：資料緩衝區指標
• len：欲發送位元組數
• flags：通常為 0。常用旗標：
  • MSG_NOSIGNAL：避免連線中斷時產生 SIGPIPE 訊號 (Linux)
  • MSG_DONTWAIT：單次非阻塞發送
  • MSG_MORE：告知核心還有更多資料待發送，優化封包合併 (Linux)

關鍵特性：部分發送

send() 回傳值可能小於 len！ 核心發送緩衝區可能已滿，或網路裝置無法一次處理大量資料。

// ❌ 錯誤：假設一次發送完畢
send(sockfd, msg, len, 0);

// ✅ 正確：迴圈處理部分發送
ssize_t total_sent = 0;
while (total_sent < len) {
    ssize_t sent = send(sockfd, static_cast(buf) + total_sent, 
                        len - total_sent, 0);
    if (sent == -1) {
        if (errno == EINTR) continue;  // 被訊號中斷，重試
        perror("send");
        break;
    }
    total_sent += sent;
}

回傳值

• 成功：實際發送位元組數 (>0)
• 對端關閉：回傳 0 (TCP)
• 錯誤：-1，設定 errno (EAGAIN/EWOULDBLOCK 非阻塞無緩衝、EPIPE 連線斷裂、ENOTCONN 未連線)

recv() — 接收資料

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

參數說明

• sockfd：connected socket
• buf：接收緩衝區
• len：緩衝區大小 (上限)
• flags：常用：
  • MSG_PEEK：窺視資料但不從緩衝區移除
  • MSG_WAITALL：等待滿 len 才返回 (除非 EOF/錯誤)
  • MSG_DONTWAIT：非阻塞

關鍵特性：資料流無邊界

TCP 是位元組串流，無訊息邊界。recv() 回傳「目前可用資料量」，可能：

• 小於 len (正常)
• 等於 len (緩衝區剛好滿)
• 為 0 (對端正常關閉，EOF)

正確接收模式

// 指定長度接收 (如已知封包大小)
ssize_t recv_exact(int sockfd, void *buf, size_t len) {
    size_t total = 0;
    while (total < len) {
        ssize_t n = recv(sockfd, static_cast(buf) + total, len - total, 0);
        if (n == 0) return -1;  // EOF
        if (n == -1) {
            if (errno == EINTR) continue;
            return -1;
        }
        total += n;
    }
    return total;
}

// 行導向接收 (直到 \n)
std::string recv_line(int sockfd) {
    std::string line;
    char ch;
    while (recv_exact(sockfd, &ch, 1) == 1) {
        if (ch == '\n') break;
        if (ch != '\r') line += ch;  // 處理 CRLF
    }
    return line;
}

完整 Echo 伺服器/客戶端範例

伺服器

while (1) {
    int client_fd = accept(sockfd, ...);
    char buf[1024];
    ssize_t n;
    while ((n = recv(client_fd, buf, sizeof(buf), 0)) > 0) {
        send(client_fd, buf, n, 0);  // 回傳收到的資料
    }
    close(client_fd);
}

客戶端

send(sockfd, "Hello, Server!", 14, 0);
char buf[1024];
ssize_t n = recv(sockfd, buf, sizeof(buf), 0);
if (n > 0) std::cout.write(buf, n);

進階主題

非阻塞 I/O 與 I/O 多路複用

• 設定 O_NONBLOCK 旗標
• 配合 select()/poll()/epoll()/kqueue() 監控可讀/可寫事件
• 單執行緒處理上萬連線

訊號驅動 I/O (SIGIO)

較舊技術，現代首選 epoll/kqueue/IOCP。

零拷貝

// Linux sendfile() / splice() - 檔案直接傳送到 socket，避免使用者空間拷貝
sendfile(out_fd, in_fd, &offset, count);

常見錯誤與除錯

結語

send()/recv() 是網路程式的「讀/寫」原語。核心心法三點：**處理部分發送/接收、區分 EOF 與錯誤、理解 TCP 無訊息邊界**。掌握這些，你就能實作從簡單 Echo 到高效能 HTTP 伺服器的各種網路應用。Beej's Guide 核心系統呼叫系列到此告一段落，後續將探討進階主題 (非阻塞、多路複用、TLS 等)。