【转载】进程间通信之 unix domain socket
一、知识准备
1、在linux中，一切皆为文件，所有不同种类的类型都被抽象成文件（比如：块设备，socket套接字，pipe队列）
2、操作这些不同的类型就像操作文件一样，比如增删改查等
二、环境准备
组件 版本
OS CentOS Linux release 7.5.1804
三、Unix domain socket 文件描述符
● 主要用于：运行在同一台机器上的2个进程相互之间的数据通信
● 它们和网络文件描述符非常相似（比如：TCP socket），但是比网络协议更底层，他们的通信发生在操作系统内核
先准备2个脚本：
server.py主要用于建立客户端的连接请求，并且接收客户端传来的数据，然后将收到的数据回传给客户端
client.py每隔1秒向服务端发送一次’hello world’
server.py：
import socket
server_addr = '/tmp/server.sock'
sock = socket.socket(socket.AF_UNIX, socket.SOCK_STREAM)
sock.bind(server_addr)
sock.listen(0)
while True:
conn, clientAddr = sock.accept()
while True:
data = conn.recv(100)
conn.sendall(data)
client.py:
import socket
import time
server_addr = '/tmp/server.sock'
sock = socket.socket(socket.AF_UNIX, socket.SOCK_STREAM)
sock.connect(server_addr)
while True:
message = 'hello world!'
sock.sendall(message)
sock.recv(100)
time.sleep(1)
sock.close()
先看下server.py的状态：
[root@localhost ~]# python /tmp/server.py &
[1] 2554
[root@localhost ~]# ls -l /proc/2554/fd
total 0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 5 02:39 0 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 5 02:39 1 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 5 02:39 2 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 5 02:39 3 -> socket:[28724]
[root@localhost ~]# grep 28724 /proc/net/unix
ffff90d8ba564000: 00000002 00000000 00010000 0001 01 28724 /tmp/server.sock
[root@localhost ~]# lsof -n | grep 28724
python 2554 root 3u unix 0xffff90d8ba564000 0t0 28724 /tmp/server.sock
和TCP socket类似，进程1472也用于19803这个unix domain socket描述符的一个软链接（3 -> socket:[19803]），并且通过3找到了一个/tmp/server.sock的文件描述符
我们运行client.py并观察状态
[root@localhost ~]# python /tmp/client.py &
[2] 2555
[root@localhost ~]# ls -l /proc/2555/fd
total 0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 5 02:39 0 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 5 02:39 1 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 5 02:39 2 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 5 02:39 3 -> socket:[28728]
[root@localhost ~]# grep 28728 /proc/net/unix
ffff90d8b95b0400: 00000003 00000000 00000000 0001 03 28728
[root@localhost ~]# lsof -n | grep 28728
python 2555 root 3u unix 0xffff90d8b95b0400 0t0 28728 socket
与server.py的行为差不多，只有一点差别就是client.py通过socket:[18974]，找到的是一条socket
查看server.py发生的变化：
[root@localhost ~]# ls -l /proc/2554/fd
total 0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 5 02:39 0 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 5 02:39 1 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 5 02:39 2 -> /dev/pts/0
lrwx------ 1 root root 64 Nov 5 02:39 3 -> socket:[28724]
lrwx------ 1 root root 64 Nov 5 02:39 4 -> socket:[28725]
server.py新增了一个4 -> socket:[28725]，这是刚才客户端连接之后新打开的描述符
[root@localhost ~]# lsof -n | grep -E '28728|28724|28725'
python 2554 root 3u unix 0xffff90d8ba564000 0t0 28724 /tmp/server.sock
python 2554 root 4u unix 0xffff90d8b95b0000 0t0 28725 /tmp/server.sock
python 2555 root 3u unix 0xffff90d8b95b0400 0t0 28728 socket
[root@localhost ~]# netstat -anp | grep unix | grep -E '28728|28724|28725'
unix 2 [ ACC ] STREAM LISTENING 28724 2554/python /tmp/server.sock
unix 3 [ ] STREAM CONNECTED 28725 2554/python /tmp/server.sock
unix 3 [ ] STREAM CONNECTED 28728 2555/python
到目前为止，整个unix domain socket的通信过程已经比较清晰的展现了：
● server.py启动之后，打开监听的描述符，等待来自客户端的连接请求
● client.py启动之后，与server连接成功，打开一个描述符用于与server.py通信
● server.py会再打开一个描述符用于与client.py进行数据通信
但是目前还有2个问题：
（1）/tmp/server.sock到底作用是什么
（2）server与client是怎么进行数据通信的
问题（1）
● /tmp/server.sock是操作系统的实体文件，拥有一个全局的文件系统描述符，这个描述符在操作系统中是唯一的
● server启动时打开了server.sock，就声名了与server.py建立连接就只能通过server.sock文件
● 这就相当于TCP socket中四元组中的两元（server_ip:server_port）
问题（2）
我们来使用strace命令看看server.py的内核调用
[root@localhost tmp]# strace -p 2554
strace: Process 2554 attached
recvfrom(4, "hello world!", 100, 0, NULL, NULL) = 12
sendto(4, "hello world!", 12, 0, NULL, 0) = 12
recvfrom(4, "hello world!", 100, 0, NULL, NULL) = 12
sendto(4, "hello world!", 12, 0, NULL, 0) = 12
recvfrom(4, "hello world!", 100, 0, NULL, NULL) = 12
sendto(4, "hello world!", 12, 0, NULL, 0) = 12
server.py在接收客户端数据的时候，使用了 4 -> socket:[28725]这个文件描述符
再看client.py的内核调用
[root@localhost tmp]# strace -p 2555
strace: Process 2555 attached
select(0, NULL, NULL, NULL, {0, 996991}) = 0 (Timeout)
sendto(3, "hello world!", 12, 0, NULL, 0) = 12
recvfrom(3, "hello world!", 100, 0, NULL, NULL) = 12
select(0, NULL, NULL, NULL, {1, 0}) = 0 (Timeout)
sendto(3, "hello world!", 12, 0, NULL, 0) = 12
recvfrom(3, "hello world!", 100, 0, NULL, NULL) = 12
sendto(3, "hello world!", 12, 0, NULL, 0) = 12
client.py在与server.py通信的时候使用了 3 -> socket:[28728]
结论：
● server.py与client.py连接建立成功之后，都会各自在自己的进程下创建一个软链接来指向socket描述符，该socket描述符来指向对应的socket内存空间（下面简称s_mem）
● client.py通过打开的文件描述符，找到s_mem，然后写入数据hello world!
● server.py通过打开的文件描述符，找到s_mem，然后读取数据hello world!，并且发送原封不动的发送这串数据给client.py
● client.py通过读取s_mem，获取从server.py传来的数据
● 循环往复
client.py ser^er.py
+---------------+ +---------------+
|pid:2555 | |pid:2554 |
| +-----+ | | +-----+ |
| |fd:3 | | | |fd:4 | |
| +-----+ | | +-----+ |
+---------------+ +---------------+
| |
| |
v v
+--------------+ +--------------+
|socket:[28728]| |socket:[28725]|
+------+-------+ +------+-------+
| |
user space | |
+---------------------------------------------------------------------+
kernel space | |
| |
v v
+------------------------------------+
| socket |
+------------------------------------+
四、小结
● /tmp/server.sock作为建立unix domain socket连接的唯一标识符
● unix domain socket连接建立完成之后在内存开辟一块空间，而server与client在这块内存空间中进行数据传输
● 在同一台机器上的进程通信，unix domain socket比tcp socket更快，因为它不需要网络协议栈，不需要打包拆包、计算校验和、维护序号和应答等等过程
五、参考资料
https://en.wikipedia.org/wiki/Unix_domain_socket
至此，本文结束
在下才疏学浅，有撒汤漏水的，请各位不吝赐教…