Linux进程间通信方式之socket使用实例

素颜马尾好姑娘i 2023-01-04 10:28 182阅读 0赞

## linux进程间通信视频解析： ##

[Linux内核，进程间通信组件的实现][Linux]  
[如何实现自己的服务器通信协议][Link 1]  
[徒手实现网络协议栈，请准备好环境，一起来写代码][Link 2]

套接字是一种通信机制，凭借这种机制，客户/服务器系统的开发工作既可以在本地单机上进行，也可以跨网络进行。  
套接字的特性有三个属性确定，它们是：域（domain），类型（type），和协议（protocol）。套接字还用地址作为它的名字。地址的格式随域（又被称为协议族，protocol family）的不同而不同。每个协议族又可以使用一个或多个地址族定义地址格式。

## 1.套接字的域 ##

域指定套接字通信中使用的网络介质。最常见的套接字域是AF\_INET，它是指Internet网络，许多Linux局域网使用的都是该网络，当然，因特网自身用的也是它。其底层的协议——网际协议（IP）只有一个地址族，它使用一种特定的方式来指定网络中的计算机，即IP地址。

在计算机系统内部，端口通过分配一个唯一的16位的整数来表示，在系统外部，则需要通过IP地址和端口号的组合来确定。

## 2.套接字类型 ##

流套接字（在某些方面类似域标准的输入/输出流）提供的是一个有序，可靠，双向字节流的连接。

流套接字由类型SOCK\_STREAM指定，它们是在AF\_INET域中通过TCP/IP连接实现的。他们也是AF\_UNIX域中常见的套接字类型。

数据包套接字

与流套接字相反，由类型SOCK\_DGRAM指定的数据包套接字不建立和维持一个连接。它对可以发送的数据包的长度有限制。数据报作为一个单独的网络消息被传输，它可能会丢失，复制或乱序到达。

数据报套接字实在AF\_INET域中通过UDP/IP连接实现，它提供的是一种无需的不可靠服务。

## 3.套接字协议 ##

只要底层的传输机制允许不止一个协议来提供要求的套接字类型，我们就可以为套接字选择一个特定的协议。

先上一个代码

服务端：

//s_unix.c 
    #include <stdio.h> 
    #include <sys/types.h> 
    #include <sys/socket.h> 
    #include <sys/un.h> 
    #define UNIX_DOMAIN "/tmp/UNIX.domain" 
    int main(void) 
    {  
      socklen_t clt_addr_len; 
      int listen_fd; 
      int com_fd; 
      int ret; 
      int i; 
      static char recv_buf[1024];  
      int len; 
      struct sockaddr_un clt_addr; 
      struct sockaddr_un srv_addr; 
      listen_fd=socket(PF_UNIX,SOCK_STREAM,0); 
      if(listen_fd<0) 
      {  
        perror("cannot create communication socket"); 
        return 1; 
      }  
      //set server addr_param 
      srv_addr.sun_family=AF_UNIX; 
      strncpy(srv_addr.sun_path,UNIX_DOMAIN,sizeof(srv_addr.sun_path)-1); 
      unlink(UNIX_DOMAIN); 
      //bind sockfd & addr 
      ret=bind(listen_fd,(struct sockaddr*)&srv_addr,sizeof(srv_addr)); 
      if(ret==-1) 
      {  
        perror("cannot bind server socket"); 
        close(listen_fd); 
        unlink(UNIX_DOMAIN); 
        return 1; 
      } 
      //listen sockfd 
      ret=listen(listen_fd,1); 
      if(ret==-1) 
      {  
        perror("cannot listen the client connect request"); 
        close(listen_fd); 
        unlink(UNIX_DOMAIN); 
        return 1; 
      } 
      //have connect request use accept 
      len=sizeof(clt_addr); 
      com_fd=accept(listen_fd,(struct sockaddr*)&clt_addr,&len); 
      if(com_fd<0) 
      {  
        perror("cannot accept client connect request"); 
        close(listen_fd); 
        unlink(UNIX_DOMAIN); 
        return 1; 
      } 
      //read and printf sent client info 
      printf("/n=====info=====/n"); 
      for(i=0;i<4;i++) 
      {  
        memset(recv_buf,0,1024); 
        int num=read(com_fd,recv_buf,sizeof(recv_buf)); 
        printf("Message from client (%d)) :%s/n",num,recv_buf);  
      } 
      close(com_fd); 
      close(listen_fd); 
      unlink(UNIX_DOMAIN); 
      return 0; 
    }

客户端：

//c_unix.c
    #include <stdio.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <sys/un.h>
    #define UNIX_DOMAIN "/tmp/UNIX.domain"
    int main(void)
    { 
      int connect_fd;
      int ret;
      char snd_buf[1024];
      int i;
      static struct sockaddr_un srv_addr;
    //creat unix socket
      connect_fd=socket(PF_UNIX,SOCK_STREAM,0);
      if(connect_fd<0)
      { 
        perror("cannot create communication socket");
        return 1;
      }  
      srv_addr.sun_family=AF_UNIX;
      strcpy(srv_addr.sun_path,UNIX_DOMAIN);
    //connect server
      ret=connect(connect_fd,(struct sockaddr*)&srv_addr,sizeof(srv_addr));
      if(ret==-1)
      { 
        perror("cannot connect to the server");
        close(connect_fd);
        return 1;
      }
      memset(snd_buf,0,1024);
      strcpy(snd_buf,"message from client");
    //send info server
      for(i=0;i<4;i++)
        write(connect_fd,snd_buf,sizeof(snd_buf));
      close(connect_fd);
      return 0;
    }

使用套接字除了可以实现网络间不同主机间的通信外，还可以实现同一主机的不同进程间的通信，且建立的通信是双向的通信。socket进程通信与网络通信使用的是统一套接口，只是地址结构与某些参数不同。

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## 一、创建socket流程 ##

（1）创建socket，类型为AF\_LOCAL或AF\_UNIX，表示用于进程通信：

创建套接字需要使用 socket 系统调用，其原型如下：

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

其中，domain 参数指定协议族，对于本地套接字来说，其值须被置为 AF\_UNIX 枚举值；type 参数指定套接字类型，protocol 参数指定具体协议；type 参数可被设置为 SOCK\_STREAM（流式套接字）或 SOCK\_DGRAM（数据报式套接字），protocol 字段应被设置为 0；其返回值为生成的套接字描述符。

对于本地套接字来说，流式套接字（SOCK\_STREAM）是一个有顺序的、可靠的双向字节流，相当于在本地进程之间建立起一条数据通道；数据报式套接字（SOCK\_DGRAM）相当于单纯的发送消息，在进程通信过程中，理论上可能会有信息丢失、复制或者不按先后次序到达的情况，但由于其在本地通信，不通过外界网络，这些情况出现的概率很小。

## 二、命名socket。 ##

SOCK\_STREAM 式本地套接字的通信双方均需要具有本地地址，其中服务器端的本地地址需要明确指定，指定方法是使用 struct sockaddr\_un 类型的变量。

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

这里面有一个很关键的东西，socket进程通信命名方式有两种。一是普通的命名，socket会根据此命名创建一个同名的socket文件，客户端连接的时候通过读取该socket文件连接到socket服务端。这种方式的弊端是服务端必须对socket文件的路径具备写权限，客户端必须知道socket文件路径，且必须对该路径有读权限。

另外一种命名方式是抽象命名空间，这种方式不需要创建socket文件，只需要命名一个全局名字，即可让客户端根据此名字进行连接。后者的实现过程与前者的差别是，后者在对地址结构成员sun\_path数组赋值的时候，必须把第一个字节置0，即sun\_path\[0\] = 0，下面用代码说明：

第一种方式：

//name the server socket 
    	server_addr.sun_family = AF_UNIX;
    	strcpy(server_addr.sun_path,"/tmp/UNIX.domain");
    	server_len = sizeof(struct sockaddr_un);
    	client_len = server_len;

第二种方式：

#define SERVER_NAME @socket_server

server_addr.sun_family = AF_UNIX; 
      strcpy(server_addr.sun_path, SERVER_NAME); 
      server_addr.sun_path[0]=0; 
      //server_len = sizeof(server_addr); 
      server_len = strlen(SERVER_NAME) + offsetof(struct sockaddr_un, sun_path);

其中，offsetof函数在\#include <stddef.h>头文件中定义。因第二种方式的首字节置0，我们可以在命名字符串SERVER\_NAME前添加一个占位字符串，例如:

#define SERVER_NAME @socket_server

前面的@符号就表示占位符，不算为实际名称。

提示：客户端连接服务器的时候，必须与服务端的命名方式相同，即如果服务端是普通命名方式，客户端的地址也必须是普通命名方式；如果服务端是抽象命名方式，客户端的地址也必须是抽象命名方式。

## 三、绑定 ##

SOCK\_STREAM 式本地套接字的通信双方均需要具有本地地址，其中服务器端的本地地址需要明确指定，指定方法是使用 struct sockaddr\_un 类型的变量，将相应字段赋值，再将其绑定在创建的服务器套接字上，绑定要使用 bind 系统调用，其原形如下：

int bind(int socket, const struct sockaddr *address, size_t address_len);

其中 socket表示服务器端的套接字描述符，address 表示需要绑定的本地地址，是一个 struct sockaddr\_un 类型的变量，address\_len 表示该本地地址的字节长度。实现服务器端地址指定功能的代码如下（假设服务器端已经通过上文所述的 socket 系统调用创建了套接字，server\_sockfd 为其套接字描述符）：

struct sockaddr_un server_address;
    server_address.sun_family = AF_UNIX;
    strcpy(server_address.sun_path, "Server Socket");
    bind(server_sockfd, (struct sockaddr*)&server_address, sizeof(server_address));

客户端的本地地址不用显式指定，只需能连接到服务器端即可，因此，客户端的 struct sockaddr\_un 类型变量需要根据服务器的设置情况来设置，代码如下（假设客户端已经通过上文所述的 socket 系统调用创建了套接字，client\_sockfd 为其套接字描述符）：

struct sockaddr_un client_address;
    client_address.sun_family = AF_UNIX;
    strcpy(client_address.sun_path, "Server Socket");

## 四、监听 ##

服务器端套接字创建完毕并赋予本地地址值（名称，本例中为Server Socket）后，需要进行监听，等待客户端连接并处理请求，监听使用 listen 系统调用，接受客户端连接使用accept系统调用，它们的原形如下：

int listen(int socket, int backlog);
    int accept(int socket, struct sockaddr *address, size_t *address_len);

其中 socket 表示服务器端的套接字描述符；backlog 表示排队连接队列的长度（若有多个客户端同时连接，则需要进行排队）；address 表示当前连接客户端的本地地址，该参数为输出参数，是客户端传递过来的关于自身的信息；address\_len 表示当前连接客户端本地地址的字节长度，这个参数既是输入参数，又是输出参数。实现监听、接受和处理的代码如下：

#define MAX_CONNECTION_NUMBER 10
    int server_client_length, server_client_sockfd;
    struct sockaddr_un server_client_address;
    listen(server_sockfd, MAX_CONNECTION_NUMBER);
    while(1)
    { 
      // ...... (some process code)
      server_client_length　＝　sizeof(server_client_address);
      server_client_sockfd = accept(server_sockfd, (struct sockaddr*)＆server_client_address, &server_client_length);
      // ...... (some process code)
    }

这里使用死循环的原因是服务器是一个不断提供服务的实体，它需要不间断的进行监听、接受并处理连接，本例中，每个连接只能进行串行处理，即一个连接处理完后，才能进行后续连接的处理。如果想要多个连接并发处理，则需要创建线程，将每个连接交给相应的线程并发处理。

客户端套接字创建完毕并赋予本地地址值后，需要连接到服务器端进行通信，让服务器端为其提供处理服务。对于 SOCK\_STREAM 类型的流式套接字，需要客户端与服务器之间进行连接方可使用。连接要使用 connect 系统调用，其原形为

int connect(int socket, const struct sockaddr *address, size_t address_len);

其中socket为客户端的套接字描述符，address表示当前客户端的本地地址，是一个 struct sockaddr\_un 类型的变量，address\_len 表示本地地址的字节长度。实现连接的代码如下：

connect(client_sockfd, (struct sockaddr*)&client_address, sizeof(client_address));

无论客户端还是服务器，都要和对方进行数据上的交互，这种交互也正是我们进程通信的主题。一个进程扮演客户端的角色，另外一个进程扮演服务器的角色，两个进程之间相互发送接收数据，这就是基于本地套接字的进程通信。发送和接收数据要使用 write 和 read 系统调用，它们的原形为：

int read(int socket, char *buffer, size_t len);
    int write(int socket, char *buffer, size_t len);

其中 socket 为套接字描述符；len 为需要发送或需要接收的数据长度；对于 read 系统调用，buffer 是用来存放接收数据的缓冲区，即接收来的数据存入其中，是一个输出参数；对于 write 系统调用，buffer 用来存放需要发送出去的数据，即 buffer 内的数据被发送出去，是一个输入参数；返回值为已经发送或接收的数据长度。例如客户端要发送一个 “Hello” 字符串给服务器，则代码如下：

char buffer[10] = "Hello";
    write(client_sockfd, buffer, strlen(buffer));

交互完成后，需要将连接断开以节省资源，使用close系统调用，其原形为：

int close(int socket);

不多说了，直接使用，大家一定都会，呵呵！

上面所述的每个系统调用都有 -1 返回值，在调用不成功时，它们均会返回 -1，这个特性可以使得我们用 if – else 或异常处理语句来处理错误，为我们提供了很大的方便。

SOCK\_DGRAM 数据报式本地套接字的应用场合很少，因为流式套接字在本地的连接时间可以忽略，所以效率并没有提高，而且发送接收都需要携带对方的本地地址，因此很少甚至几乎不使用。

与本地套接字相对应的是网络套接字，可以用于在网络上传送数据，换言之，可实现不同机器上的进程通信过程。在 TCP/IP 协议中，IP 地址的首字节为 127 即代表本地，因此本地套接字通信可以使用 IP 地址为 127.x.x.x 的网络套接字来实现。

以上就是本文关于Linux进程间通信方式之socket使用实例的全部内容，希望对大家有所帮助。

[Linux]: https://www.bilibili.com/video/BV1C64y1F7VE/
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[Link 2]: https://www.bilibili.com/video/BV1RA411q7bN/
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