Unix domain socket 简介

服务器

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2019-5-11

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Unix domain socket 又叫 IPC(inter-process communication 进程间通信) socket,用于实现同一主机上的进程间通信。socket 原本是为网络通讯设计的,但后来在 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、计算校验和、维护序号和应答等,只是将应用层数据从一个进程拷贝到另一个进程。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 是全双工的,API 接口语义丰富,相比其它 IPC 机制有明显的优越性,目前已成为使用最广泛的 IPC 机制,比如 X Window 服务器和 GUI 程序之间就是通过 UNIX domain socket 通讯的。
Unix domain socket 是 POSIX 标准中的一个组件,所以不要被名字迷惑,linux 系统也是支持它的。

下面通过一个简单的 demo 来理解相关概念。程序分为服务器端和客户端两部分,它们之间通过 unix domain socket 进行通信。

服务器端程序

下面是一个非常简单的服务器端程序,它从客户端读字符,然后将每个字符转换为大写并回送给客户端:

#include <stdlib.h>  
#include <stdio.h>  
#include <stddef.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <sys/un.h>  
#include <errno.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
#include <ctype.h>   
 
#define MAXLINE 80  
 
char *socket_path = "server.socket";  
 
int main(void)  
{  
    struct sockaddr_un serun, cliun;  
    socklen_t cliun_len;  
    int listenfd, connfd, size;  
    char buf[MAXLINE];  
    int i, n;  
 
    if ((listenfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {  
        perror("socket error");  
        exit(1);  
    }  
 
    memset(&serun, 0, sizeof(serun));  
    serun.sun_family = AF_UNIX;  
    strcpy(serun.sun_path, socket_path);  
    size = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + strlen(serun.sun_path);  
    unlink(socket_path);  
    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&serun, size) < 0) {  
        perror("bind error");  
        exit(1);  
    }  
    printf("UNIX domain socket bound\n");  
      
    if (listen(listenfd, 20) < 0) {  
        perror("listen error");  
        exit(1);          
    }  
    printf("Accepting connections ...\n");  
 
    while(1) {  
        cliun_len = sizeof(cliun);         
        if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&cliun, &cliun_len)) < 0){  
            perror("accept error");  
            continue;  
        }  
          
        while(1) {  
            n = read(connfd, buf, sizeof(buf));  
            if (n < 0) {  
                perror("read error");  
                break;  
            } else if(n == 0) {  
                printf("EOF\n");  
                break;  
            }  
              
            printf("received: %s", buf);  
 
            for(i = 0; i < n; i++) {  
                buf[i] = toupper(buf[i]);  
            }  
            write(connfd, buf, n);  
        }  
        close(connfd);  
    }  
    close(listenfd);  
    return 0;  
} 

简单介绍一下这段代码:

int socket(int family, int type, int protocol);

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.
family 指定为 AF_UNIX,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。
type 可以选择 SOCK_DGRAM 或 SOCK_STREAM。SOCK_STREAM 意味着会提供按顺序的、可靠、双向、面向连接的比特流。SOCK_DGRAM 意味着会提供定长的、不可靠、无连接的通信。
protocol 参数指定为 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() 时该文件已存在,则 bind() 错误返回。因此,一般在调用 bind() 前会检查 socket 文件是否存在,如果存在就删除掉。
网络 socket 编程类似,在 bind 之后要 listen,表示通过 bind 的地址(也就是 socket 文件)提供服务。
接下来必须用 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。

客户端程序

下面是客户端程序,它接受用户的输入,并把字符串发送给服务器,然后接收服务器返回的字符串并打印:

#include <stdlib.h>  
#include <stdio.h>  
#include <stddef.h>  
#include <sys/socket.h>  
#include <sys/un.h>  
#include <errno.h>  
#include <string.h>  
#include <unistd.h>  
 
#define MAXLINE 80  
 
char *client_path = "client.socket";  
char *server_path = "server.socket";  
 
int main() {  
    struct  sockaddr_un cliun, serun;  
    int len;  
    char buf[100];  
    int sockfd, n;  
 
    if ((sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0){  
        perror("client socket error");  
        exit(1);  
    }  
      
    // 一般显式调用bind函数,以便服务器区分不同客户端  
    memset(&cliun, 0, sizeof(cliun));  
    cliun.sun_family = AF_UNIX;  
    strcpy(cliun.sun_path, client_path);  
    len = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + strlen(cliun.sun_path);  
    unlink(cliun.sun_path);  
    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *)&cliun, len) < 0) {  
        perror("bind error");  
        exit(1);  
    }  
 
    memset(&serun, 0, sizeof(serun));  
    serun.sun_family = AF_UNIX;  
    strcpy(serun.sun_path, server_path);  
    len = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + strlen(serun.sun_path);  
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&serun, len) < 0){  
        perror("connect error");  
        exit(1);  
    }  
 
    while(fgets(buf, MAXLINE, stdin) != NULL) {    
         write(sockfd, buf, strlen(buf));    
         n = read(sockfd, buf, MAXLINE);    
         if ( n < 0 ) {    
            printf("the other side has been closed.\n");    
         }else {    
            write(STDOUT_FILENO, buf, n);    
         }    
    }   
    close(sockfd);  
    return 0;  
}  

与网络 socket 编程不同的是,UNIX domain socket 客户端一般要显式调用 bind 函数,而不依赖系统自动分配的地址。客户端 bind 一个自己指定的 socket 文件名的好处是,该文件名可以包含客户端的 pid 等信息以便服务器区分不同的客户端。

运行上面的程序

分别把服务器端程序和客户端程序保存为 server.c 和 client.c 文件,并编译:

$ gcc server.c -o server
$ gcc client.c -o client

先启动服务器端程序,然后启动客户端程序输入字符串并回车:

还不错,客户端得到了服务器端返回的大写字符串。接下来看看当前目录下的文件:

哈哈,多了两个 socket 文件。

总结

Unix domain socket 主要用于同一主机上的进程间通信。与主机间的进程通信不同,它不是通过 “IP地址 + TCP或UDP端口号” 的方式进程通信,而是使用 socket 类型的文件来完成通信,因此在稳定性、可靠性以及效率方面的表现都很不错。

参考:
UNIX Domain Socket IPC
[linux] unix domain socket 例子

作者:sparkdev