Unix域協議--Linux本地IPC

Unix domain socket 或者 IPC socket是一種終端，可以使同一臺操作系統上的兩個或多個進程進行數據通信。與管道相比，Unix domain sockets 既可以使用字節流，又可以使用數據隊列，而管道通信則只能使用字節流。Unix domain sockets的接口和Internet socket很像，但它不使用網絡底層協議來通信。Unix domain socket 的功能是POSIX操作系統裏的一種組件。
Unix domain sockets 使用系統文件的地址來作爲自己的身份。它可以被系統進程引用。所以兩個進程可以同時打開一個Unix domain sockets來進行通信。不過這種通信方式是發生在系統內核裏而不會在網絡裏傳播。

UNIX Domain Socket IPC

socket API原本是爲網絡通訊設計的，但後來在socket的框架上發展出一種IPC機制，就是UNIX Domain Socket。雖然網絡socket也可用於同一臺主機的進程間通訊（通過loopback地址127.0.0.1），但是UNIX Domain Socket用於IPC更有效率：不需要經過網絡協議棧，不需要打包拆包、計算校驗和、維護序號和應答等，只是將應用層數據從一個進程拷貝到另一個進程。這是因爲，IPC機制本質上是可靠的通訊，而網絡協議是爲不可靠的通訊設計的。UNIX Domain Socket也提供面向流和麪向數據包兩種API接口，類似於TCP和UDP，但是面向消息的UNIX Domain Socket也是可靠的，消息既不會丟失也不會順序錯亂。

UNIX Domain Socket是全雙工的，API接口語義豐富，相比其它IPC機制有明顯的優越性，目前已成爲使用最廣泛的IPC機制，比如X Window服務器和GUI程序之間就是通過UNIX Domain Socket通訊的。

使用UNIX Domain Socket的過程和網絡socket十分相似，也要先調用socket()創建一個socket文件描述符，address family指定爲AF_UNIX，type可以選擇SOCK_DGRAM或SOCK_STREAM，protocol參數仍然指定爲0即可。

UNIX Domain Socket與網絡socket編程最明顯的不同在於地址格式不同，用結構體sockaddr_un表示，網絡編程的socket地址是IP地址加端口號，而UNIX Domain Socket的地址是一個socket類型的文件在文件系統中的路徑，這個socket文件由bind()調用創建，如果調用bind()時該文件已存在，則bind()錯誤返回。

以下程序將UNIX Domain socket綁定到一個地址。

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

int main(void)
{
    int fd, size;
    struct sockaddr_un un;

    memset(&un, 0, sizeof(un));
    un.sun_family = AF_UNIX;
    strcpy(un.sun_path, "foo.socket");
    if ((fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0) {
        perror("socket error");
        exit(1);
    }
    size = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + strlen(un.sun_path);
    if (bind(fd, (struct sockaddr *)&un, size) < 0) {
        perror("bind error");
        exit(1);
    }
    printf("UNIX domain socket bound\n");
    exit(0);
}

注意程序中的offsetof宏，它在stddef.h頭文件中定義：

#define offsetof(TYPE, MEMBER) ((int)&((TYPE *)0)->MEMBER)

offsetof(struct sockaddr_un, sun_path)就是取sockaddr_un結構體的sun_path成員在結構體中的偏移，也就是從結構體的第幾個字節開始是sun_path成員。想一想，這個宏是如何實現這一功能的？

該程序的運行結果如下。

$ ./a.out
UNIX domain socket bound
$ ls -l foo.socket
srwxrwxr-x 1 user        0 Aug 22 12:43 foo.socket
$ ./a.out
bind error: Address already in use
$ rm foo.socket
$ ./a.out
UNIX domain socket bound

以下是服務器的listen模塊，與網絡socket編程類似，在bind之後要listen，表示通過bind的地址（也就是socket文件）提供服務。

#include <stddef.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <errno.h>

#define QLEN 10

/*
 * Create a server endpoint of a connection.
 * Returns fd if all OK, <0 on error.
 */
int serv_listen(const char *name)
{
    int                 fd, len, err, rval;
    struct sockaddr_un  un;

    /* create a UNIX domain stream socket */
    if ((fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
        return(-1);
    unlink(name);   /* in case it already exists */

    /* fill in socket address structure */
    memset(&un, 0, sizeof(un));
    un.sun_family = AF_UNIX;
    strcpy(un.sun_path, name);
    len = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + strlen(name);

    /* bind the name to the descriptor */
    if (bind(fd, (struct sockaddr *)&un, len) < 0) {
        rval = -2;
        goto errout;
    }
    if (listen(fd, QLEN) < 0) { /* tell kernel we're a server */
        rval = -3;
        goto errout;
    }
    return(fd);

errout:
    err = errno;
    close(fd);
    errno = err;
    return(rval);
}

以下是服務器的accept模塊，通過accept得到客戶端地址也應該是一個socket文件，如果不是socket文件就返回錯誤碼，如果是socket文件，在建立連接後這個文件就沒有用了，調用unlink把它刪掉，通過傳出參數uidptr返回客戶端程序的user id。

#include <stddef.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <errno.h>

int serv_accept(int listenfd, uid_t *uidptr)
{
    int                 clifd, len, err, rval;
    time_t              staletime;
    struct sockaddr_un  un;
    struct stat         statbuf;

    len = sizeof(un);
    if ((clifd = accept(listenfd, (struct sockaddr *)&un, &len)) < 0)
        return(-1);     /* often errno=EINTR, if signal caught */

    /* obtain the client's uid from its calling address */
    len -= offsetof(struct sockaddr_un, sun_path); /* len of pathname */
    un.sun_path[len] = 0;           /* null terminate */

    if (stat(un.sun_path, &statbuf) < 0) {
        rval = -2;
        goto errout;
    }

    if (S_ISSOCK(statbuf.st_mode) == 0) {
        rval = -3;      /* not a socket */
        goto errout;
    }

    if (uidptr != NULL)
        *uidptr = statbuf.st_uid;   /* return uid of caller */
    unlink(un.sun_path);        /* we're done with pathname now */
    return(clifd);

errout:
    err = errno;
    close(clifd);
    errno = err;
    return(rval);
}

以下是客戶端的connect模塊，與網絡socket編程不同的是，UNIX Domain Socket客戶端一般要顯式調用bind函數，而不依賴系統自動分配的地址。客戶端bind一個自己指定的socket文件名的好處是，該文件名可以包含客戶端的pid以便服務器區分不同的客戶端。

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>
#include <sys/stat.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <errno.h>

#define CLI_PATH    "/var/tmp/"      /* +5 for pid = 14 chars */

/*
 * Create a client endpoint and connect to a server.
 * Returns fd if all OK, <0 on error.
 */
int cli_conn(const char *name)
{
    int                fd, len, err, rval;
    struct sockaddr_un un;

    /* create a UNIX domain stream socket */
    if ((fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) < 0)
        return(-1);

    /* fill socket address structure with our address */
    memset(&un, 0, sizeof(un));
    un.sun_family = AF_UNIX;
    sprintf(un.sun_path, "%s%05d", CLI_PATH, getpid());
    len = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + strlen(un.sun_path);

    unlink(un.sun_path);        /* in case it already exists */
    if (bind(fd, (struct sockaddr *)&un, len) < 0) {
        rval = -2;
        goto errout;
    }

    /* fill socket address structure with server's address */
    memset(&un, 0, sizeof(un));
    un.sun_family = AF_UNIX;
    strcpy(un.sun_path, name);
    len = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + strlen(name);
    if (connect(fd, (struct sockaddr *)&un, len) < 0) {
        rval = -4;
        goto errout;
    }
    return(fd);

errout:
    err = errno;
    close(fd);
    errno = err;
    return(rval);
}