UNIX Domain Socket IPC

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概述

socket API原本是为网络通讯设计的，但是后来在socket的框架上发展出一种IPC机制，就是UNIX Domain Socket。

虽然网络socket也可用于同一台主机的进程间通讯（通过loopback地址127.0.0.1），但是UNIX Domain Socket用于IPC更有效率：

• 不需要经过网络协议栈。
• 不需要打包拆包
• 不需要计算校验和
• 不需要维护序号和应答等

这是因为IPC机制本质上是可靠的通讯，而网络协议是为不可靠的通讯设计的。UNIX Domain Socket也提供面向流和面向数据包两种API接口，类似TCP和UDP，但是面向流的UNIX Domain Socket也是可靠的，消息既不会丢失也不会顺序错乱。

使用UNIX Domain Socket的过程和网络socket十分相似，也要先调用socket()创建一个socket文件描述符，address family指定为AF_UNIX，type可以选择SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM，protocol参数仍然指定为0即可。

UNIX Domain Socket与网络socket编程最明显的不同在于地址格式不同，用结构体sockaddr_un表示，网络编程的socket地址是IP地址加端口号，而UNIX Domain Socket的地址是一个socket类型的文件在文件系统中的路径，这个socket文件由bind()调用创建，如果调用bind()时该文件已经存在，则bind()错误返回。

socket函数使用

接下来，把UNIX Domain Socket编程用到的几个主要函数讲解一下。

struct sockaddr_un

UNIX Domain Socket使用的地址结构体定义如下：

#define UNIX_PATH_MAX 108

struct sockaddr_un {
    sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */
    char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */
};

socket()

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int socket(int domain, int type, int protocol);

参数定义如下：

1. domain指定socket的通信协议集(AF_UNIX和AF_INET等)

   • AF_UNIX(与AF_LOCAL和AF_FILE相同)只能够用于单一的unix的系统上，使用AF_UNIX会在系统上创建一个socket文件，不同进程通过读写这个文件来实现通信。
   • AF_INET则是用于网络的，所以可以允许远程主机之间的通信。

2. type指定socket的类型（SOCK_STREAM和SOCK_DGRAM等）

   • SOCK_STREAM表明使用TCP协议，这就意味着会提供按顺序的、可靠、双向、面向连接的比特流。
   • SOCK_DGRAM表明使用UDP协议，这就意味着会提供定长的、不可靠、无连接的通信。

3. protocol指定实际使用的传输协议。最常见的就是IPPROTO_TCP、IPPROTO_STCP、IPPROTO_UDP、IPPROTO_DCCP。如果该项为0，即根据选定的domain和type选择使用缺省协议。

调用socket()函数后，成功会返回文件描述符，失败则返回-1。

bind()

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

bind()为socket分配地址。当使用socket()创建套接字之后，仅仅赋予了其所使用的协议，而没有分配地址。在接受其它主机连接前，必须先调用bind()为socket分配地址。

参数定义如下：

1. sockfd：这是socket的描述符。
2. addr：指向sockaddr结构（用于表示所分配地址）的指针。
3. addrlen：sockaddr结构的长度。

listen()

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int listen(int sockfd, int backlog);

当socket和一个地址绑定后，调用listen()函数开始监听连接请求。但是，这只能在有可靠数据流保证时使用，如SOCK_STREAM。

参数定义如下:

1. sockfd：socket的描述符。
2. backlog：一个决定监听队列大小的整数，当有一个连接请求到来，就会进入此监听队列。当队列满后，新的连接请求就会返回错误。

如果监听成功返回0，否则返回-1。

accept()

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

当应用程序监听来自其他主机的面向数据流的连接时，通过事件（比如UNIX select()系统调用）通知它。必须用accept()函数初始化连接。accept()为每个连接创立新的套接字并从监听队列中移除这个连接。

参数定义如下：

1. sockfd：监听的socket描述符。
2. addr：指向sockaddr结构体的指针，客户端地址信息。
3. addrlen：指向socklen_t的指针，确定客户端结构体的大小。

accpet成功返回新的套接字描述符，出错返回-1。进一步通信必须通过这个套接字。

connect()

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

connect()系统调用为一个套接字设置连接，参数有文件描述符和主机地址。

Socket IPC 实例

接下来，简单实现一个进程间通过UNIX Domain Socket进行通讯的参考实例。

server

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stddef.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <unistd.h>

#define QLEN 8

char *socket_path="wzy.socket";

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd, clifd, n;
    struct sockaddr_un un;
    char buf[100];

    if (argc > 1) socket_path = argv[1];

    if ((fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket error");
        exit(1);
    }

    memset(&un, 0, sizeof(un));
    un.sun_family = AF_UNIX;
    strncpy(un.sun_path, socket_path, sizeof(un.sun_path) - 1);
    unlink(socket_path);

    if (bind(fd, (struct sockaddr *) &un, sizeof(un)) < 0) {
        perror("bind error");
        exit(1);
    }

    printf("UNIX Domain Socket bound\n");

    memset(&buf, 0, sizeof(buf));

    if (listen(fd, QLEN) < 0) {
        perror("listen error");
        exit(1);
    }

    while (1) {
        if ((clifd = accept(fd, NULL, NULL)) == -1) {
            perror("accpet error");
            continue;
        }

        while ((n = read(clifd, buf, sizeof(buf))) > 0) {
            printf("read %d bytes: %s\n", n, buf);
        }

        if (n == -1) {
            exit(-1);
        } else if (n == 0) {
            printf("END\n");
            close(clifd);
        }
    }

    return 0;
}

client

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stddef.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <unistd.h>


char *socket_path="wzy.socket";

int main(int argc, char **argv)
{
    int fd;
    struct sockaddr_un un;
    char buf[100];

    if (argc > 1) socket_path = argv[1];

    if ((fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket error");
        exit(1);
    }

    memset(&un, 0, sizeof(un));
    un.sun_family = AF_UNIX;
    strncpy(un.sun_path, socket_path, sizeof(un.sun_path) - 1);

    if (connect(fd, (struct sockaddr *) &un, sizeof(un)) < 0) {
        perror("connect error");
        exit(-1);
    }

    while (scanf("%s", buf) != EOF) {
        if (write(fd, buf, sizeof(buf)) < 0) {
            perror("write error");
            exit(-1);
        }
    }

    return 0;
}

运行结果

server监听客户端发送的数据：

client上传的数据如下：