socket编程中系统调用send()详细讲解

在 socket 编程中，send() 是用于在已连接的套接字上发送数据的系统调用，主要用于 TCP 协议（也可用于 UDP，但需配合连接操作）。它负责将用户态的数据传递到内核缓冲区，再由内核协议栈（如 TCP/IP）完成实际的网络传输。以下从函数原型、参数、返回值、工作原理、使用细节等方面详细讲解：

一、函数原型与头文件

send() 的函数原型如下，需要包含 <sys/socket.h> 头文件：

#include <sys/socket.h>
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);

二、参数详解

1. sockfd（套接字描述符）

• 含义：已建立连接的套接字的文件描述符（由 socket() 创建，并通过 connect() 或 accept() 完成连接）。
• 注意：send() 仅用于已连接的套接字 （TCP 中通过 connect() 连接的客户端套接字，或 accept() 返回的服务端连接套接字；UDP 需先通过 connect() 绑定目标地址，否则需用 sendto()）。

2. buf（数据缓冲区）

• 含义：指向用户态内存中待发送数据的缓冲区（如字符串、字节数组等）。
• 要求：
  • 缓冲区必须是有效的（不能为 NULL），且长度至少为 len 字节。
  • 数据在发送前需由用户确保格式正确（如网络字节序转换、协议封装等）。

3. len（数据长度）

• 含义：要发送的数据的字节数（size_t 类型，非负整数）。
• 限制：
  • 实际发送的最大长度受限于内核发送缓冲区大小（可通过 SO_SNDBUF 选项查询/设置）。
  • UDP 中，len 不能超过协议最大传输单元（MTU，通常约 1500 字节），否则可能被分片或丢弃；TCP 无此限制（会自动分片）。

4. flags（标志位）

• 含义：控制发送行为的标志，可取值为 0 或以下宏的组合（通过位或 | 连接）：
  • MSG_OOB：发送带外数据（TCP 紧急数据），用于传递高优先级信息（如中断信号）。带外数据有独立的传输通道，不占用常规数据缓冲区。
  • MSG_DONTWAIT：非阻塞模式发送（覆盖套接字本身的阻塞属性）。若内核缓冲区已满，不会阻塞等待，而是立即返回 -1 并设置 errno = EAGAIN 或 EWOULDBLOCK。
  • MSG_NOSIGNAL：当连接已关闭（如对端断开）时，不产生 SIGPIPE 信号（默认会产生，可能导致进程终止）。
  • MSG_MORE：告知内核"后续还有数据要发送"，用于批量发送时减少 TCP 分段（优化网络效率）。

三、返回值

• 成功 ：返回实际发送的字节数（ssize_t 类型，可能小于 len）。
  原因：内核发送缓冲区可能不足以容纳全部 len 字节数据，此时仅发送部分数据（常见于非阻塞模式或高负载场景）。
• 失败 ：返回 -1，并设置 errno 标识错误原因，常见错误码：
  • EBADF：sockfd 不是有效的文件描述符。
  • ENOTCONN：套接字未连接（如 TCP 未调用 connect()，或 UDP 未绑定目标地址）。
  • EAGAIN/EWOULDBLOCK：非阻塞模式下，内核缓冲区已满，暂时无法发送（可重试）。
  • EPIPE：连接已断开（如对端关闭），且未设置 MSG_NOSIGNAL（此时可能伴随 SIGPIPE 信号）。
  • EINTR：发送过程被信号中断（可重试）。

四、工作原理

send() 的核心是"将用户数据复制到内核缓冲区"，而非直接发送到网络，具体流程如下：

1. 参数校验 ：内核检查 sockfd 有效性、buf 内存可访问性、len 合理性等。
2. 缓冲区检查 ：查看套接字对应的内核发送缓冲区（大小由 SO_SNDBUF 控制）是否有足够空间容纳数据。
3. 数据复制 ：
   • 若缓冲区有空间，将 buf 中最多 len 字节的数据复制到内核缓冲区（用户态 → 内核态拷贝）。
   • 若空间不足：
     • 阻塞模式：进程进入睡眠，等待缓冲区有空间后再复制（直到超时或被信号唤醒）。
     • 非阻塞模式（MSG_DONTWAIT 或套接字设为 O_NONBLOCK）：立即返回 -1 并设置 EAGAIN。
4. 协议处理 ：内核协议栈（如 TCP）负责后续工作：
   • TCP：将缓冲区数据按 MSS（最大分段大小）分片，添加 TCP 头部，通过 IP 层发送；并维护重传队列，等待对端 ACK 确认后释放缓冲区。
   • UDP（已 connect()）：将数据封装成 UDP 数据报，添加头部后直接发送（不保证到达，无确认机制）。
5. 返回结果：返回实际复制到内核缓冲区的字节数（即"已提交给内核发送的数据量"，而非"已到达对端的数据量"）。

五、关键特性与使用细节

1. 与 write() 的关系

send() 可视为 write() 的"增强版"：

• write(sockfd, buf, len) 等价于 send(sockfd, buf, len, 0)（即 flags=0 时功能相同）。
• send() 的优势是通过 flags 支持更多控制（如带外数据、非阻塞等）。

2. 处理"部分发送"

send() 的返回值可能小于 len（如内核缓冲区不足），因此必须循环发送直到所有数据发送完毕，示例：

// 循环发送完整数据
ssize_t send_all(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags) {
    size_t total_sent = 0;  // 已发送总字节数
    const char *p = buf;    // 指向未发送数据的指针

    while (total_sent < len) {
        ssize_t sent = send(sockfd, p + total_sent, len - total_sent, flags);
        if (sent == -1) {
            // 若被信号中断，可重试；其他错误返回失败
            if (errno == EINTR) continue;
            return -1;
        }
        total_sent += sent;
    }
    return total_sent;  // 全部发送成功
}

3. TCP 与 UDP 中的差异

特性	TCP 中 send()	UDP 中 send()（需先 connect()）
连接要求	必须通过 connect()/accept() 连接	需先 connect() 绑定目标地址（否则用 sendto()）
可靠性	依赖 TCP 重传机制，保证数据有序到达	无可靠性保证，数据可能丢失、乱序
数据边界	无边界（粘包），send(100) 可能对应多次 recv	有边界（数据报），send(100) 对应一次 recv(100)
发送缓冲区满时行为	阻塞等待或返回 EAGAIN（非阻塞）	直接丢弃数据并返回 -1（errno=EAGAIN）

4. 带外数据（MSG_OOB）

• 用途：发送高优先级数据（如"紧急中断"），TCP 会优先传输，对端可通过 SO_OOBINLINE 选项或 recv(..., MSG_OOB) 接收。
• 限制：带外数据只有 1 字节有效（TCP 紧急指针指向的字节），通常用于"通知"而非传输大量数据。

5. 非阻塞模式注意事项

• 当 flags=MSG_DONTWAIT 或套接字设为 O_NONBLOCK 时，send() 可能返回 EAGAIN（缓冲区满），此时需通过 select()/poll()/epoll 监听套接字可写事件后再重试。

• 示例：结合 epoll 处理非阻塞发送：

  // 监听套接字可写事件
  struct epoll_event ev, events[10];
  int epfd = epoll_create(1);
  ev.events = EPOLLOUT;  // 关注可写事件
  ev.data.fd = sockfd;
  epoll_ctl(epfd, EPOLL_CTL_ADD, sockfd, &ev);
  
  // 等待可写
  int nfds = epoll_wait(epfd, events, 10, -1);
  for (int i = 0; i < nfds; i++) {
      if (events[i].data.fd == sockfd && events[i].events & EPOLLOUT) {
          // 此时缓冲区有空间，可尝试发送
          ssize_t sent = send(sockfd, buf, len, MSG_DONTWAIT);
          // 处理发送结果...
      }
  }

六、常见错误与解决

1. SIGPIPE 信号导致进程终止

   原因：对已关闭的连接调用 send()，默认会产生 SIGPIPE 信号（默认处理是终止进程）。

   解决：发送时设置 MSG_NOSIGNAL 标志，或忽略 SIGPIPE 信号（signal(SIGPIPE, SIG_IGN)）。

2. 发送数据量远小于 len

   原因：内核发送缓冲区过小，或网络拥塞导致缓冲区未及时释放。

   解决：

   • 增大发送缓冲区（setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, &size, sizeof(size))）。
   • 采用非阻塞模式 + I/O 多路复用（epoll 等），避免阻塞等待。

3. UDP 发送失败（errno=EMSGSIZE）

   原因：len 超过 MTU 且未开启分片（或对端不支持分片）。

   解决：限制 UDP 数据长度（通常 ≤ 1472 字节，即 MTU 1500 - IP 头部 20 - UDP 头部 8）。

总结

send() 是 socket 编程中发送数据的核心系统调用，其核心功能是将用户数据复制到内核缓冲区，由协议栈完成实际传输。使用时需注意：

• 处理"部分发送"，通过循环确保数据完整发送；
• 根据场景选择 flags（如非阻塞、带外数据）；
• 区分 TCP 与 UDP 中的行为差异；
• 处理常见错误（如 EAGAIN、SIGPIPE）。

理解 send() 的工作原理（尤其是内核缓冲区的角色）是编写可靠网络程序的关键。