socketpair的用法

我就是我 2023-07-06 10:29 1阅读 0赞

今天跟人谈到socketpair的问题，晚上回来写了个程序验证下自己的猜测！

先说说我的理解：socketpair创建了一对无名的套接字描述符（只能在AF\_UNIX域中使用），描述符存储于一个二元数组,eg. s\[2\] .这对套接字可以进行双工通信，每一个描述符既可以读也可以写。这个在同一个进程中也可以进行通信，向s\[0\]中写入，就可以从s\[1\]中读取（只能从s\[1\]中读取），也可以在s\[1\]中写入，然后从s\[0\]中读取；但是，若没有在0端写入，而从1端读取，则1端的读取操作会阻塞，即使在1端写入，也不能从1读取，仍然阻塞；反之亦然......

验证所用代码：

#include <stdio.h> 
       #include <string.h> 
       #include <unistd.h> 
       #include <sys/types.h> 
       #include <error.h> 
       #include <errno.h> 
       #include <sys/socket.h> 
       #include <stdlib.h> 
        
       #define BUF_SIZE 30 
        
       int main(){ 
               int s[2]; 
               int w,r; 
               char * string = "This is a test string"; 
               char * buf = (char*)calloc(1 , BUF_SIZE); 
        
               if( socketpair(AF_UNIX,SOCK_STREAM,0,s) == -1 ){ 
                       printf("create unnamed socket pair failed:%s\n",strerror(errno) ); 
                       exit(-1); 
               } 
        
               /*******test in a single process ********/ 
               if( ( w = write(s[0] , string , strlen(string) ) ) == -1 ){ 
                       printf("Write socket error:%s\n",strerror(errno)); 
                       exit(-1); 
               } 
               /*****read*******/ 
               if( (r = read(s[1], buf , BUF_SIZE )) == -1){ 
                       printf("Read from socket error:%s\n",strerror(errno) ); 
                       exit(-1); 
               } 
               printf("Read string in same process : %s \n",buf); 
                 if( (r = read(s[0], buf , BUF_SIZE )) == -1){ 
                                 printf("Read from socket s0 error:%s\n",strerror(errno) ); 
                                                 exit(-1); 
                                                         } 
                                                         printf("Read from s0 :%s\n",buf); 
        
               printf("Test successed\n"); 
               exit(0); 
       }

若fork子进程，然后在服进程关闭一个描述符eg. s\[1\] ，在子进程中再关闭另一个 eg. s\[0\]    ,则可以实现父子进程之间的双工通信，两端都可读可写；当然，仍然遵守和在同一个进程之间工作的原则，一端写，在另一端读取；

这和pipe有一定的区别，pipe是单工通信，一端要么是读端要么是写端，而socketpair实现了双工套接字，也就没有所谓的读端和写端的区分

验证代码：

#include <stdio.h> 
       #include <string.h> 
       #include <unistd.h> 
       #include <sys/types.h> 
       #include <error.h> 
       #include <errno.h> 
       #include <sys/socket.h> 
       #include <stdlib.h> 
        
       #define BUF_SIZE 30 
        
       int main(){ 
               int s[2]; 
               int w,r; 
               char * string = "This is a test string"; 
               char * buf = (char*)calloc(1 , BUF_SIZE); 
               pid_t pid; 
        
               if( socketpair(AF_UNIX,SOCK_STREAM,0,s) == -1 ){ 
                       printf("create unnamed socket pair failed:%s\n",strerror(errno) ); 
                       exit(-1); 
               } 
        
               /***********Test : fork but don't close any fd in neither parent nor child process***********/ 
               if( ( pid = fork() ) > 0 ){ 
                       printf("Parent process's pid is %d\n",getpid()); 
                    close(s[1]); 
                       if( ( w = write(s[0] , string , strlen(string) ) ) == -1 ){ 
                               printf("Write socket error:%s\n",strerror(errno)); 
                               exit(-1); 
                       } 
               }else if(pid == 0){ 
                       printf("Fork child process successed\n"); 
                       printf("Child process's pid is :%d\n",getpid()); 
                       close(s[0]); 
               }else{ 
                       printf("Fork failed:%s\n",strerror(errno)); 
                       exit(-1); 
               } 
        
               /*****read***In parent and child****/ 
               if( (r = read(s[1], buf , BUF_SIZE )) == -1){ 
                       printf("Pid %d read from socket error:%s\n",getpid() , strerror(errno) ); 
                       exit(-1); 
               } 
               printf("Pid %d read string in same process : %s \n",getpid(),buf); 
               printf("Test successed , %d\n",getpid()); 
               exit(0); 
       }

以上代码中在父子进程之间各关闭了一个描述符，则在父进程写可从子进程读取，反之若子进程写，父进程同样可以读取；大家可以验证下

另外，我也测试了在父子进程中都不close(s\[1\])，也就是保持两个读端，则父进程能够读到string串，但子进程读取空串，或者子进程先读了数据，父进程阻塞于read操作！

之所以子进程能读取父进程的string，是因为fork时，子进程继承了父进程的文件描述符的，同时也就得到了一个和父进程指向相同文件表项的指针；若父子进程均不关闭读端，因为指向相同的文件表项，这两个进程就有了竞争关系，争相读取这个字符串．父进程read后将数据转到其应用缓冲区，而子进程就得不到了，只有一份数据拷贝（若将父进程阻塞一段时间，则收到数据的就是子进程了，已经得到验证，让父进程sleep(3)，子进程获得string，而父进程获取不到而是阻塞）

有网友＂笨笨＂回复：

“若将父进程阻塞一段时间，则收到数据的就是子进程了，已经得到验证，让父进程sleep(3)，子进程获得string，而父进程获取不到”  
  
我验证的情况是，父进程一直阻塞在read上。我想不明白，为什么这时候父进程不能读取数据呢。  
而上一种情况，父进程先读取数据，子进程仍然可以读取数据（数据为空），但子进程不会阻塞在read上。

关于这个问题，解释如下：

１．该网友说的情况的确存在，如果先让子进程sleep，此时父进程获得数据，子进程被唤醒之后读到EOF返回；若是让父进程sleep先，子进程先获取数据，之后父进程被唤醒却是一直阻塞不能返回．按理来说这两种情况应该没差别，这个区别下文描述．

２．对于网友提到问题的这个测试，我最初的目的是想说明如果通过产生子进程的方式，对一个写端同时有多个读端，这这些读端之间相互竞争．我们可以用个更有说服力的测试方法来看出这个问题．原来的测试是让一个进程sleep然后另一个进程读完所有字符，可以看到之后醒来的进程就读不到任何字符了．更好的方法是先有一个进程读取一部分的字符，然后第二个进程被唤醒，会发现这第二个进程还能读到一些字符，而这些字符是第一个进程读完剩下的．

３．第一条中的遗留问题，为什么这两种情况有不同的表现．

原因是：如果子进程先sleep，父进程读取完数据之后，父进程退出，此时写端s\[0\]的引用计数变为０(之前子进程已主动close了一次)，被系统释放，根据read的语义，当子进程被唤醒后会读取到EOF；但是当我们先让父进程sleep的时候，子进程读取完后退出，由于写端在父进程，没有被释放，所以父进程此时阻塞在读操作上．

用另外一个测试来证明，我们在子进程中不主动执行close\[0\],也就是有两个写端，然后其他不变，子进程先sleep，父进程先读取到数据然后退出，但此时更刚刚有个区别，父进程退出的时候s\[0\]这个写端的描述符并不会减到０，因为子进程中还持有一个引用，所以写端健在，子进程被唤醒之后不会读到EOF返回，而是阻塞在读操作上

最后，有关socketpair在内核中实现的一点点描述：

socketpair会创建两个描述符，但改描述符不属于任何的实际文件系统，而是网络文件系统，虚拟的．同时内核会将这两个描述符彼此设为自己的peer即对端（这里即解决了如何标识读写端，可以想象，两个描述符互为读写缓冲区，即解决了这个问题）．然后应用相应socket家族里的read/write函数执行读写操作．

有了这个基础，即可明白为什么试用fork产生的两个子进程都不关闭读端的时候会竞争，如上所述，他们共享相同的文件表项，有相同的inode和偏移量，两个进程的操作当然是相互影响的．

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