关于本地socket的举例详解

最近做的项目中碰到一个新的东西，叫做本地socket。查了好久的资料，也man unix 看了里面的介绍，还是不太理解本地socket怎么使用的。下面是我在网上找到的资料。经过本人的学习及程序运行，没有问题。觉得很不错，所以分享一下!

一、先说一下本地socket的来源：

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UNIXDomainSocket。 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。

今天我们介绍如何编写Linux下的TCP程序。

本文绝大部分是参考《Linux程序设计(第4版)》的第15章套接字

二、服务器端的步骤如下：

1. socket：      建立一个socket

2. bind：          将这个socket绑定在某个文件上（AF_UNIX）或某个端口上（AF_INET），我们会分别介绍这两种。

3. listen：        开始监听

4. accept：      如果监听到客户端连接，则调用accept接收这个连接并同时新建一个socket来和客户进行通信

5. read/write：读取或发送数据到客户端

6. close：        通信完成后关闭socket

三、客户端的步骤如下：

1. socket：      建立一个socket

2. connect：   主动连接服务器端的某个文件（AF_UNIX）或某个端口（AF_INET）

3. read/write：如果服务器同意连接（accept），则读取或发送数据到服务器端

4. close：        通信完成后关闭socket

上面是整个流程，我们先给出一个例子，具体分析会在之后给出。例子实现的功能是客户端发送一个字符到服务器，服务器将这个字符+1后送回客户端，客户端再把它打印出来：

Makefile：

all: tcp_client.c tcp_server.c
    gcc -g -Wall -o tcp_client tcp_client.c
    gcc -g -Wall -o tcp_server tcp_server.c

clean:
    rm -rf *.o tcp_client tcp_server

tcp_server.c：

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

int main()
{
  /* delete the socket file */
  unlink("server_socket");

  /* create a socket */
  int server_sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);

  struct sockaddr_un server_addr;
  server_addr.sun_family = AF_UNIX;
  strcpy(server_addr.sun_path, "server_socket");

  /* bind with the local file */
  bind(server_sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr));

  /* listen */
  listen(server_sockfd, 5);

  char ch;
  int client_sockfd;
  struct sockaddr_un client_addr;
  socklen_t len = sizeof(client_addr);
  while(1)
  {
    printf("server waiting:
");

    /* accept a connection */
    client_sockfd = accept(server_sockfd, (struct sockaddr *)&client_addr, &len);

    /* exchange data */
    read(client_sockfd, &ch, 1);
    printf("get char from client: %c
", ch);
    ++ch;
    write(client_sockfd, &ch, 1);

    /* close the socket */
    close(client_sockfd);
  }

  return 0;
}

tcp_client.c：

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

int main()
{
  /* create a socket */
  int sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);

  struct sockaddr_un address;
  address.sun_family = AF_UNIX;
  strcpy(address.sun_path, "server_socket");

  /* connect to the server */
  int result = connect(sockfd, (struct sockaddr *)&address, sizeof(address));
  if(result == -1)
  {
    perror("connect failed: ");
    exit(1);
  }

  /* exchange data */
  char ch = 'A';
  write(sockfd, &ch, 1);
  read(sockfd, &ch, 1);
  printf("get char from server: %c
", ch);

  /* close the socket */
  close(sockfd);

  return 0;
}

如果我们首先运行tcp_client，会提示没有这个文件：

因为我们是以AF_UNIX方式进行通信的，这种方式是通过文件来将服务器和客户端连接起来的，因此我们应该先运行tcp_server，创建这个文件，默认情况下，这个文件会创建在当前目录下，并且第一个s表示它是一个socket文件：

程序运行的结果如下图：

下面我们详细讲解：

1.

我们调用socket函数创建一个socket：

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

domain：指定socket所属的域，常用的是AF_UNIX或AF_INET

AF_UNIX表示以文件方式创建socket，AF_INET表示以端口方式创建socket（我们会在后面详细讲解AF_INET）

type：指定socket的类型，可以是SOCK_STREAM或SOCK_DGRAM

SOCK_STREAM表示创建一个有序的，可靠的，面向连接的socket，因此如果我们要使用TCP，就应该指定为SOCK_STREAM

SOCK_DGRAM表示创建一个不可靠的，无连接的socket，因此如果我们要使用UDP，就应该指定为SOCK_DGRAM

protocol：指定socket的协议类型，我们一般指定为0表示由第一第二两个参数自动选择。

socket()函数返回新创建的socket，出错则返回-1

2.

地址格式：

常用的有两种socket域：AF_UNIX或AF_INET，因此就有两种地址格式：sockaddr_un和sockaddr_in，分别定义如下：

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


struct sockaddr_in
{
  short int sin_family;          /* AF_INET */
  unsigned short int sin_port;   /* port number */
  struct in_addr sin_addr;       /* internet address */
}

其中in_addr正是用来描述一个ip地址的：

struct in_addr
{
  unsigned long int s_addr;
}

从上面的定义我们可以看出，sun_path存放socket的本地文件名，sin_addr存放socket的ip地址，sin_port存放socket的端口号。

3.

创建完一个socket后，我们需要使用bind将其绑定：

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

如果我们使用AF_UNIX来创建socket，相应的地址格式是sockaddr_un，而如果我们使用AF_INET来创建socket，相应的地址格式是sockaddr_in，因此我们需要将其强制转换为sockaddr这一通用的地址格式类型，而sockaddr_un中的sun_family和sockaddr_in中的sin_family分别说明了它的地址格式类型，因此bind()函数就知道它的真实的地址格式。第三个参数address_len则指明了真实的地址格式的长度。

bind()函数正确返回0，出错返回-1

4.

接下来我们需要开始监听了：

int listen(int socket, int backlog)

backlog：等待连接的最大个数，如果超过了这个数值，则后续的请求连接将被拒绝

listen()函数正确返回0，出错返回-1

5.

接受连接：

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

同样，第二个参数也是一个通用地址格式类型，这意味着我们需要进行强制类型转化

这里需要注意的是，address是一个传出参数，它保存着接受连接的客户端的地址，如果我们不需要，将address置为NULL即可。

address_len：我们期望的地址结构的长度，注意，这是一个传入和传出参数，传入时指定我们期望的地址结构的长度，如果多于这个值，则会被截断，而当accept()函数返回时，address_len会被设置为客户端连接的地址结构的实际长度。

另外如果没有客户端连接时，accept()函数会阻塞

accept()函数成功时返回新创建的socket描述符，出错时返回-1

6.

客户端通过connect()函数与服务器连接：

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

对于第二个参数，我们同样需要强制类型转换

address_len指明了地址结构的长度

connect()函数成功时返回0，出错时返回-1

7.

双方都建立连接后，就可以使用常规的read/write函数来传递数据了

8.

通信完成后，我们需要关闭socket：

int close(int fd)

close是一个通用函数（和read，write一样），不仅可以关闭文件描述符，还可以关闭socket描述符