4. UNIX Domain Socket IPC

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2023-12-01

4. 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。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UNIX Domain Socket也是可靠的，消息既不会丢失也不会顺序错乱。

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。

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。

以下程序将UNIX Domain socket绑定到一个地址。

#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头文件中定义：

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

offsetof(struct sockaddr_un, sun_path)就是取sockaddr_un结构体的sun_path成员在结构体中的偏移，也就是从结构体的第几个字节开始是sun_path成员。想一想，这个宏是如何实现这一功能的？

该程序的运行结果如下。

$ ./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

以下是服务器的listen模块，与网络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。

#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);
}

以下是服务器的accept模块，通过accept得到客户端地址也应该是一个socket文件，如果不是socket文件就返回错误码，如果是socket文件，在建立连接后这个文件就没有用了，调用unlink把它删掉，通过传出参数uidptr返回客户端程序的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);
}

以下是客户端的connect模块，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以便服务器区分不同的客户端。

#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);
}

下面是自己动手时间，请利用以上模块编写完整的客户端/服务器通讯的程序。