【Linux应用编程】基于UNIX域套接字的进程间通信

1 前言

  linux系统下进程通信方式包括：信号量、管道（包括匿名管道和命名管道）、消息队列、共享内存、套接字（socket）。前面四种方式用于本地进程间通信，属于同一台计算机内通信；socket一般默认指的是TCP/IP socket，用于跨不同计算机之间进行网络通信。实质上，socket同样可用于本地进程间通信，而且与其他IPC方式相比，具有更高效率和更加灵活性。用于本地进程间通信的socket称为unix域套接字（unix domain socket）。

2 unix域套接字

  与传统基于TCP/IP协议栈的socket不同，unix domain socket以文件系统作为地址空间，不需经过TCP/IP的头部封装、报文ack确认、路由选择、数据校验与重传过程，因此传输速率上也不会受网卡带宽的限制。unix domain socket数据传输时，以系统文件系统的权限机制访问，内核根据socket路径名称直接将数据拷贝到接收方socket的缓冲区，数据传输效率上要远高于TCP/IP的socket。从数据传输模型和传输过程看，unix domain socket与管道类似，因为管道的发送与接收数据同样依赖于路径名称。

2.1 特点

  unix domain socket在进程间通信同样是基于“客户端—服务器”（C-S）模式，除了传输效率高外，unix domain socket最大的特点是可以跨平台，只要一个系统支持unix domain socket，基于unix domain socket方式的应用程序可以很方便移植到该系统上运行；windows、linux、unix、android都支持unix domain socket。相比管道、信号量、消息队列、共享内存，unix domain socket更加灵活，归纳起来有几个特点。

• C-S通信模式
• 传输效率高
• 跨平台，灵活性好
• 使用流程与TCP/IP socket基本一致
• 无需通过TCP/IP编解码，但需指定具体路径

2.2 与TCP/IP套接字异同

  unix domain socket与TCP/IP socket相比，有一定相同点，如API调用、使用步骤、数据收发等；也存在不同的地方，如socket类型、客户端—服务器地址、内部数据流传输模式等。

相同点：

• 建立步骤相同
• 函数API接口相同
• 都支持数据流（ SOCK_STREAM ）和数据报（ SOCK_DGRAM ）格式

不同的点：

• 应用范围不同；unix domain socket用于本地进程间通信；TCP/IP用于跨计算机间通信
• 创建的socket类型不同；unix domain socket使用"AF_UNIX"；TCP/IP socket使用"AF_INET(IPV4)"、“AF_INET6(IPV6)”
• 数据流向不同；unix domain socket通过虚拟文件路径地址确定数据传输目的接收方；TCP/IP socket通过IP地址和端口确定数据传输目的接收方
• 数据传输机制不同，unix domain socket数据在内核中进行拷贝到目的socket；TCP/IP需经过TCP/IP编码，然后通过网卡传输
• 数据传输速率不同；unix domain socket数据传输速率远高于TCP/IP socket

3 unix域套接字编程

  对于用户编程来说，unix domain socket与TCP/IP socket的通信建立流程基本一致，只是在参数上的差异。如下图，一个 “客户端—服务端” socket建立的基本流程步骤。

  下面主要描述unix domain socket建立流程步骤中与TCP/IP的差异部分和关键部分。

3.1 创建socket

#include 
int socket(int af, int type, int protocol);

• af，地址族（Address Family）；TCP/IP socket中使用AF_INET（IPV4）和AF_INET6（IPV6）；unix domain socket使用AF_UNIX
• type，套接字类型，常用有原始套接字（ SOCK_RAW ）、流格式套接字（SOCK_STRAAM）、数据报套接字（SOCK_DGRAM）；unix domain socket支持流格式和数据报格式；一般使用流格式，确保数据传输可靠性，虽然数据报格式传输的出错概率很低（因为只是本地数据拷贝）
• protocol，传输协议，常用有TCP协议（IPPROTO_TCP）和UDP协议（IPPROTO_UDP）；这里可以填“0”，系统会根据套接字类型选择相应的传输协议
• 返回，成功返回socket描述符；失败返回-1，错误码存于error中

3.2 绑定地址

#include              
#include      
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

• sockfd，socket文件描述符
• addr，服务端地址，对于unix domain socket，使用的是struct sockaddr_un，其原型如下

struct sockaddr_un
{
　　sa_family_t sun_family;
　　char sun_path[108];
};

  [1] sun_family，协议族，这里必须填AF_UNIX

  [2] sun_path，服务端地址（文件路径）

• addrlen，地址占用空间大小
• 返回，成功返回0，失败返回-1，错误码存于error中
• 注意事项，注意地址类型强制转换

示例伪代码：

int fd = 0;
struct sockaddr_un addr

fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
if (fd < 0)
{
    /* create socket failed; todo */
}
addr.sun_family = AF_UNIX;
strncpy(addr.sun_path, "./server_socket", sizeof(addr.sun_path)-1);
if (bind(listen_fd,(struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr) < 0)
{
    /* bind failed；todo */
}

  绑定地址一般是针对于服务端使用，但对于unix domain socket而言，客户端可以调用bind函数显式绑定地址，这样服务端可以获取连接客户端的地址，方便区分多个客户端连接的情况。

unix domain socket会在指定路径地址生成socket临时文件，如果文件已存在，则绑定地址失败，需删除已存在文件。因此，一般进程结束后调用unlink函数删除临时socket文件。socket路径建议使用绝对路径；如果使用相对路径，客户端和服务端程序不在同目录下时会出错。

3.3 监听

#include 
int listen(int sockfd, int backlog);  

• sockfd，socket文件描述符
• backlog，侦听队列长度（客户端数目）
• 返回，成功返回0，失败返回-1，错误码存于error中

  监听是针对于服务端使用，用于监听客户端连接请求，unix domain socket与TCP/IP socket使用方式无异。

3.4 等待客户端连接

#include 
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);  

• sockfd，socket文件描述符
• addr，返回参数，连接到服务端的客户端地址，这里是路径名称
• addr_len，返回参数，连接到服务端的客户端地址长度
• 返回，成功返回0，失败返回-1，错误码存于error中

  等待客户端连接是针对于服务端使用，unix domain socket与TCP/IP socket使用方式无异，只是返回的地址有差异；TCP/IP socket返回的是客户端的ip地址（struct sockaddr），unix domain socket返回的是客户端虚拟文件路径（sockaddr_un）。

3.5 发起连接

#include 
int connect(int sockfd, struct sockaddr *addr,int addrlen); 

• sockfd，socket文件描述符
• addr，服务端地址，这里是路径名称
• addr_len，服务端地址长度
• 返回，成功返回0，失败返回-1，错误码存于error中

  发起连接是针对于客户端使用，unix domain socket与TCP/IP socket使用方式无异，只是连接的服务端地址类型不同；TCP/IP socket连接的服务端是ip地址（struct sockaddr），unix domain socket连接的服务端是虚拟文件路径（sockaddr_un），unix domain socket必须将sockaddr_un强制转换为struct sockaddr类型。

unix domain socket发起连接时，如果服务端监听队列已满，则会立即返回“CONNREFUSED”错误，而不会像TCP/IP socket机制那样，忽略SYN包，使服务端重传SYN包，重试连接过程。

3.6 数据传输

  对于数据流套接字，数据传输使用的是write和read。

#include 
ssize_t read(int sockfd, void *buf, size_t length);   
ssize_t write(int sockfd, const void *buf, size_t length); 

• sockfd，socket文件描述符
• buf，发送/接收数据缓存
• length，发送/接收数据长度
• 返回，实际发送/接收的数据长度

对于流式套接字，数据以数据流的方式传输，目标进程在接收数据时不能保证数据的连续性，可能存在数据分段接收的情况。因此，使用流式套接字进行进程间通信，一般需定义私有协议。

  对于数据报套接字，数据传输使用的是sendto和recvfrom。

#include 
int sendto (int sockfd, const void *buf, int length, unsigned int flags, const struct sockaddr *addr, int addrlen);  
int recvfrom(int sockfd, void *buf, int length, unsigned int flags, struct sockaddr *addr, int *addrlen);

• sockfd，socket文件描述符
• buf，发送/接收数据缓存
• length，发送/接收数据长度
• flags，发送/接收标识，如是否阻塞发送/接收
• addr，发送/接收地址
• addr_len，发送/接收地址长度
• 返回，成功返回0，失败返回-1，错误码存于error中

对于数据报套接字，数据以消息包的方式传输，可以保证数据的连续性；但数据包相当于TCP/IP socket的UDP传输，不具备可靠性，存在数据丢失的可能，一般不建议使用。

3.6 关闭套接字

#include 
int close(int sockfd);

• sockfd，socket文件描述符
• 返回，成功返回0，失败返回-1，错误码存于error中

  进程将要结束前，需关闭套接字，释放资源。同时还需调用unlink函数删除socket临时文件（即是客户端和服务端socket的路径地址），即使该文件内容为空，但仍占用一定存储空间。对于服务端，如果socket临时文件未被删除，再次执行服务端程序时，则会出现bind失败，提示地址已被占用。

注：

调用unlink函数并不会立即删除文件，而是先检查该文件的链接数目（被进程占用标识），如果不为0则执行减1操作。当链接数为0并且没有进程占用该文件时，系统执行删除文件；如存在进程占用该文件，待所有进程结束后，系统执行删除文件。

4 unix域套接字编程实例

  编写程序创建两个进程，分别是客户端和服务端；利用unix域套接字实现两个进程间相互传输数据，实现功能包括：

• 客户端进程fork父子进程，父进程接收服务端信息；子进程获取终端输入信息并发送给服务端

• 客户端进程fork父子进程，父进程接收客户端信息；子进程获取终端输入信息并发送给客户端

• 任一终端输入“quit”断开socket连接，并结束进程

• 任一方socket断开时，另一方关闭自身socket，并结束进程

客户端源码

#include 
#include 
#include 
#include 
#include  
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SERVER_PATH "/home/s_socket"	/* 服务端地址 */
#define CLIENT_PATH "/home/c_socket"	/* 客户端地址 */

void sig_parent_handle(int sig)
{
	printf("receive process child signal\n");

	if(waitpid(-1, NULL, 0) < 0) 
  	{
    	perror("waitpid error:");
  	}
	exit(0);
}

void sig_child_handle(int signo)
{
	if (signo == SIGHUP)
	{				   
		printf("receive process parent SIGHUP signal\n");
		exit(0);
	}
}

int main (int argc, char * argv[])
{ 
	int c_fd,pid; 
	int ret;
	struct sockaddr_un c_addr;
	struct sockaddr_un s_addr;
	char buf[1024]; 
	ssize_t size;

	/* 进程通知信号 */
	signal(SIGCHLD,sig_parent_handle);
	
	/* 创建socket */
	c_fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
	if(c_fd < 0)
	{
		perror("socket create failed");
		return -1;
	} 

	/* 显式绑定客户端地址，服务端可以获取该地址 */
	memset((char*)&c_addr, 0, sizeof(c_addr));
	c_addr.sun_family = AF_UNIX;
	strncpy(c_addr.sun_path, CLIENT_PATH, sizeof(c_addr.sun_path)-1);
	unlink(CLIENT_PATH);
	if(bind(c_fd, (struct sockaddr*)&c_addr, sizeof(c_addr)) < 0)
	{
		perror("bind error");
		close(c_fd);
		exit(1); 
	}

	/* 服务器端地址 */ 
	s_addr.sun_family 	= AF_UNIX;
	strncpy(s_addr.sun_path, SERVER_PATH, sizeof(s_addr.sun_path)-1);

	/* 连接服务器*/
	ret = connect(c_fd, (struct sockaddr*)&s_addr, sizeof(s_addr)); 
	if(ret < 0)
	{
		perror("connect server failed");
		close(c_fd);
		unlink(CLIENT_PATH);
		exit(1);  
	} 
	printf("connect to server: %s\n", s_addr.sun_path);
	
	/* 创建进程 */
	pid = fork();
	if(pid < 0) 
	{
		perror("fork error");
		close(c_fd);
		unlink(CLIENT_PATH);
		exit(1);
	}

	if(pid == 0)		/* 子进程发送消息 */
	{
		signal(SIGHUP, sig_child_handle);
        prctl(PR_SET_PDEATHSIG, SIGHUP);
		
		for(;;)
		{
			memset(buf, 0, sizeof(buf)); 
			printf("please enter message to send:\n"); 
			fflush(stdout);
			
			memset(buf, 0, sizeof(buf)); 
			size = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf) - 1); /* 从终端读取输入信息 */
			if(size > 0) 
			{
				buf[size - 1] = '\0'; 
			} 
			else if(size == 0)
			{
				printf("read is done...\n"); 
				break; 
			}
			else
			{
				perror("read stdin error"); 
				break; 
			}
			if(!strncmp(buf, "quit", 4))
			{
				printf("close the connect!\n");
				break;
			}
			if(buf[0] == '\0')
			{
				continue;
			}
			size = write(c_fd, buf, strlen(buf)); 
			if(size <= 0)
			{
				printf("message'%s' send failed!errno code is %d,errno message is '%s'\n",buf, errno, strerror(errno));
				break;
			}
		}
	}
	else				/* 父进程接收消息 */
	{
		for(;;)
		{
			memset(buf, 0, sizeof(buf)); 
			size = read(c_fd, buf, sizeof(buf)); /* 读取服务器消息 */
			if(size > 0) 
			{  
				printf("message recv %dByte: \n%s\n", (int)size, buf);
			} 
			else if(size < 0)
			{
				printf("recv failed!errno code is %d,errno message is '%s'\n",errno, strerror(errno));
				break;
			} 
			else
			{
				printf("server disconnect!\n");
				break;
			}  
		}
	}
	unlink(CLIENT_PATH);	/* 删除socket文件 */
	close(c_fd); 

	return 0; 
}

服务端源码

#include 
#include 
#include 
#include 
#include  
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 

#define SERVER_PATH "/home/s_socket"	/* 服务端地址 */

void sig_parent_handle(int signo)
{
	printf("receive process child signal\n");
	if(waitpid(-1, NULL, 0) < 0) 
  	{
    	perror("waitpid error:");
  	}
	exit(0);
}

void sig_child_handle(int signo)
{
	if (signo == SIGHUP)
	{				   
		printf("receive process parent SIGHUP signal\n");
		exit(0);
	}
}

int main (int argc, char * argv[])
{
	int s_fd, c_fd, pid; 
	socklen_t addr_len;
	struct sockaddr_un s_addr;
	struct sockaddr_un c_addr;
	char buf[1024];
	ssize_t size = 0;

	/* 进程通知信号 */
	signal(SIGCHLD, sig_parent_handle);
	
	/* 创建socket */
	if((s_fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0) 
	{
		perror("socket create failed:"); 
		exit(1); 
	} 
	
	/* 绑定地址 */
	memset((char*)&s_addr, 0, sizeof(s_addr));
	s_addr.sun_family = AF_UNIX;
	strncpy(s_addr.sun_path, SERVER_PATH, sizeof(s_addr.sun_path)-1);/* 服务器端地址 */ 
	if(bind(s_fd, (struct sockaddr*)&s_addr, sizeof(s_addr)) < 0)
	{
		perror("bind error");
		close(s_fd);
		exit(1); 
	}
	
	/* 监听socket */
	if(listen(s_fd, 5) < 0)	/* 最大监听5个客户端 */
	{
		perror("listen error");
		close(s_fd);
		exit(1); 
	}
	printf("waiting client connecting\n");
	
	addr_len = sizeof(struct sockaddr);
	c_fd = accept(s_fd, (struct sockaddr*)&c_addr, (socklen_t *)&addr_len);
	
	if(c_fd < 0)
	{
		perror("accept error");
		close(s_fd);
		unlink(SERVER_PATH);
		exit(1); 
	}
	else
	{
		printf("connected with socket: %s\n", c_addr.sun_path);
	}

	/* 创建进程 */
	pid = fork();
	if(pid < 0) 
	{
		perror("fork error");
		close(s_fd);
		unlink(SERVER_PATH);
		exit(1);
	}

	if(pid == 0)  /* 子进程发送消息 */
	{
		signal(SIGHUP, sig_child_handle);
        prctl(PR_SET_PDEATHSIG, SIGHUP);
		  
		for(; ;)
		{
			printf("please enter message to send:\n"); 
			fflush(stdout);
			memset(buf, 0, sizeof(buf)); 
			size = read(STDIN_FILENO, buf, sizeof(buf) - 1); 	
			if(size > 0) 
			{
				buf[size - 1] = '\0'; 
			} 
			else if(size == 0)
			{
				printf("read is done...\n"); 
				break; 
			}
			else
			{
				perror("read stdin error"); 
				break; 
			}
			if(!strncmp(buf, "quit", 4))
			{
				printf("close the connect!\n");
				break;
			}
			if(buf[0] == '\0')
			{
				continue;
			}
			size = write(c_fd, buf, strlen(buf)); 
			if(size <= 0)
			{
				printf("message'%s' send failed!errno code is %d,errno message is '%s'\n",buf, errno, strerror(errno));
				break;
			}
		}
	}
	else 			/* 父进程接收消息 */
	{
		for(;;)
		{
			memset(buf, 0, sizeof(buf)); 
			size = read(c_fd, buf, sizeof(buf) - 1);
			if(size > 0)
			{
				printf("message recv %dByte: \n%s\n", (int)size, buf);
			}
			else if(size < 0)
			{
				printf("recv failed!errno code is %d,errno message is '%s'\n",errno, strerror(errno));
				break;
			}
			else
			{
				printf("client disconnect!\n");
				break;
			}
		}
	}
	unlink(SERVER_PATH);	/* 删除socket文件 */
	close(s_fd); 
	close(c_fd);

	return 0;
}

执行结果

  分别编译客户端和服务端程序，开启两个终端用于执行客户端和服务端程序，先执行服务端程序，再执行客户端程序。在终端输入信息，以回车结束，输入信息会通过socket发送至对方进程；任一终端输入“quit”结束socket通信并退出进程。

服务端输出信息：

root@ubuntu:/mnt/hgfs/LSW/STHB/TCP/unix_domain# gcc server.c -o server
root@ubuntu:/mnt/hgfs/LSW/STHB/TCP/unix_domain# ./server
waiting client connecting
connected with socket: /home/c_socket
please enter message to send:
message recv 10Byte: 
Hello Word
Test
please enter message to send:
client disconnect!

客户端输出信息：

root@ubuntu:/mnt/hgfs/LSW/STHB/TCP/unix_domain# gcc client.c -o client
root@ubuntu:/mnt/hgfs/LSW/STHB/TCP/unix_domain# ./client
connect to server: /home/s_socket
please enter message to send:
Hello Word
please enter message to send:
message recv 4Byte: 
Test
quit
close the connect!
receive process child signal

5 总结与延伸

  文章初步描述了unix域套接字的含义、特点以及如何应用于本地进程间通信。特别是对于进程间通信，只是描述、实现了基本的用法，在实际项目中应用还需规划好程序框架、消息定义、服务端消息管理、客户端与客户端通信等等。

5.1 消息传输协议

  使用unix域套接字，一般使用的是数据流的方式，由于数据流的不连续性，往往需定义一系列私有协议来确保一帧数据的完整性和有效性，然后进程根据该协议进行解析消息并执行相应任务。典型的协议制定方式有：

• 二进制格式，增加帧头、帧尾、数据长度，类似于串口通信；节省内存，但不便于阅读
• 字符串方式，以特定字符（串）为开始/结束符（如"\n"）；占用内存空间，可读性比二进制数据要好
• json格式；占用内存空间，需增加json编解码库，可读性更好

5.2 服务端消息管理

  服务端的消息管理是一个难点，一般情况下服务端进程只作为消息的管理者，作为一个“数据路由”，不参与具体任务执行，具体任务由客户端进程处理。因此，涉及消息的流向问题：

• 消息只发给服务端

• 点对点通信，客户端与客户端建立通信

• 广播，消息广播给所有客户端