UNIX网络编程——UNIX域套接字编程和socketpair 函数

一、UNIX Domain Socket IPC

socket API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。UNIX域套接字与TCP套接字相比较，在同一台主机的传输速度前者是后者的两倍。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，类似于TCP和UDP，但是面向消息的UNIXDomain 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_DGRAM或SOCK_STREAM，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()时该文件已存在，则bind()错误返回。

#define UNIX_PATH_MAX    108

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

二、回射/客户服务器程序

通信的流程跟前面说过的tcp/udp 是类似的。下面直接来看服务器serv.c程序：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<string.h>
#include<sys/un.h>

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while (0)

void echo_ser(int conn)
{
    char recvbuf[1024];
    int n;
    while (1)
    {

        memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
        n = read(conn, recvbuf, sizeof(recvbuf));
        if (n == -1)
        {
            if (n == EINTR)
                continue;

            ERR_EXIT("read error");
        }

        else if (n == 0)
        {
            printf("client close\n");
            break;
        }

        fputs(recvbuf, stdout);
        write(conn, recvbuf, strlen(recvbuf));
    }

    close(conn);
}

/* unix domain socket与TCP套接字相比较，在同一台主机的传输速度前者是后者的两倍。*/
int main(void)
{
    int listenfd;
    if ((listenfd = socket(PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
        ERR_EXIT("socket error");

    unlink("/tmp/test socket"); //地址复用
    struct sockaddr_un servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sun_family = AF_UNIX;
    strcpy(servaddr.sun_path, "/tmp/test socket");

    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
        ERR_EXIT("bind error");

    if (listen(listenfd, SOMAXCONN) < 0)
        ERR_EXIT("listen error");

    int conn;
    pid_t pid;

    while (1)
    {

        conn = accept(listenfd, NULL, NULL);
        if (conn == -1)
        {

            if (conn == EINTR)
                continue;
            ERR_EXIT("accept error");
        }

        pid = fork();
        if (pid == -1)
            ERR_EXIT("fork error");
        if (pid == 0)
        {
            close(listenfd);
            echo_ser(conn);
            exit(EXIT_SUCCESS);
        }

        close(conn);
    }

    return 0;
}

客户端程序cli.c程序：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<unistd.h>
#include<errno.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<netinet/in.h>
#include<string.h>
#include<sys/un.h>

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while (0)

void echo_cli(int conn)
{
    char sendbuf[1024] = {0};
    char recvbuf[1024] = {0};
    while (fgets(sendbuf, sizeof(sendbuf), stdin) != NULL)
    {

        write(conn, sendbuf, strlen(sendbuf));
        read(conn, recvbuf, sizeof(recvbuf));
        fputs(recvbuf, stdout);
        memset(recvbuf, 0, sizeof(recvbuf));
        memset(sendbuf, 0, sizeof(sendbuf));
    }

    close(conn);
}

int main(void)
{
    int sock;
    if ((sock = socket(PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
        ERR_EXIT("socket error");

    struct sockaddr_un servaddr;
    memset(&servaddr, 0, sizeof(servaddr));
    servaddr.sun_family = AF_UNIX;
    strcpy(servaddr.sun_path, "/tmp/test socket");

    if (connect(sock, (struct sockaddr *)&servaddr, sizeof(servaddr)) < 0)
        ERR_EXIT("connect error");

    echo_cli(sock);

    return 0;
}

server 使用fork 的形式来接受多个连接，server调用bind 会创建一个文件，如下所示：

huangcheng@ubuntu:/tmp$ ls -l test\ socket
srwxr-xr-x 1 huangcheng huangcheng 0 2013-08-02 19:30 test socket

即文件类型为s，表示SOCKET文件，与FIFO（命名管道）文件，类型为p，类似，都表示内核的一条通道，读写文件实际是在读写内核通道。程序中调用unlink 是为了在开始执行程序时删除以前创建的文件，以便在重启服务器时不会提示address in use。其他方面与以前说过的回射客户服务器程序没多大区别，不再赘述。

三、UNIX域套接字编程注意点

1、bind成功将会创建一个文件，权限为：0777 & ~umask
2、sun_path最好用一个绝对路径。
3、UNIX域协议支持流式套接口与报式套接口。
4、UNIX域流式套接字connect发现监听队列满时，会立刻返回一个ECONNREFUSED，这和TCP不同，如果监听队列满，会忽略到来的SYN，这导致对方重传SYN。

四、socketpair 函数

功能：创建一个全双工的流管道

int socketpair(int domain, int type, int protocol, int sv[2]);

参数：

• domain： 协议家族
• type： 套接字类型
• protocol：协议类型
• sv：返回套接字对

返回值：成功返回0；失败返回-1

实际上socketpair 函数跟pipe 函数是类似的，也只能在同个主机上具有亲缘关系的进程间通信，但pipe 创建的匿名管道是半双工的，而socketpair 可以认为是创建一个全双工的管道。

可以使用socketpair 创建返回的套接字对进行父子进程通信：

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<sys/socket.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<arpa/inet.h>
#include<netinet/in.h>
#include<string.h>

#define ERR_EXIT(m) \
    do { \
        perror(m); \
        exit(EXIT_FAILURE); \
    } while (0)

int main(void)
{
    int sockfds[2];

    if (socketpair(PF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, sockfds) < 0)
        ERR_EXIT("sockpair");

    pid_t pid;
    pid = fork();
    if (pid == -1)
        ERR_EXIT("fork");

    if (pid > 0)
    {
        int val = 0;
        close(sockfds[1]);
        while (1)
        {

            ++val;
            printf(" sending data: %d\n", val);
            write(sockfds[0], &val, sizeof(val));
            read(sockfds[0], &val, sizeof(val));
            printf("recv data : %d\n", val);
            sleep(1);
        }

    }

    else if (pid == 0)
    {

        int val;
        close(sockfds[0]);
        while (1)
        {

            read(sockfds[1], &val, sizeof(val));
            ++val;
            write(sockfds[1], &val, sizeof(val));
        }
    }

    return 0;
}

输出如下：

huangcheng@ubuntu:~$ ./a.out
 sending data: 1
recv data : 2
 sending data: 3
recv data : 4
 sending data: 5
recv data : 6
 sending data: 7
recv data : 8
 sending data: 9
recv data : 10
 sending data: 11
recv data : 12
 sending data: 13
.............................

即父进程持有sockfds[0] 套接字进行读写，而子进程持有sockfds[1] 套接字进行读写。