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07 | What? 还有本地套接字？

你好，我是盛延敏，这里是网络编程实战第7讲，欢迎回来。

上一篇文章中，我们讲了UDP。很多同学都知道TCP和UDP，但是对本地套接字却不甚了解。

实际上，本地套接字是IPC，也就是本地进程间通信的一种实现方式。除了本地套接字以外，其它技术，诸如管道、共享消息队列等也是进程间通信的常用方法，但因为本地套接字开发便捷，接受度高，所以普遍适用于在同一台主机上进程间通信的各种场景。

那么今天我们就来学习下本地套接字方面的知识，并且利用本地套接字完成可靠字节流和数据报两种协议。

从例子开始

现在最火的云计算技术是什么？无疑是Kubernetes和Docker。在Kubernetes和Docker的技术体系中，有很多优秀的设计，比如Kubernetes的CRI（Container Runtime Interface），其思想是将Kubernetes的主要逻辑和Container Runtime的实现解耦。

我们可以通过netstat命令查看Linux系统内的本地套接字状况，下面这张图列出了路径为/var/run/dockershim.socket的stream类型的本地套接字，可以清楚地看到开启这个套接字的进程为kubelet。kubelet是Kubernetes的一个组件，这个组件负责将控制器和调度器的命令转化为单机上的容器实例。为了实现和容器运行时的解耦，kubelet设计了基于本地套接字的客户端-服务器GRPC调用。

眼尖的同学可能发现列表里还有docker-containerd.sock等其他本地套接字，是的，Docker其实也是大量使用了本地套接字技术来构建的。

如果我们在/var/run目录下将会看到docker使用的本地套接字描述符:

本地套接字概述

本地套接字一般也叫做UNIX域套接字，最新的规范已经改叫本地套接字。在前面的TCP/UDP例子中，我们经常使用127.0.0.1完成客户端进程和服务器端进程同时在本机上的通信，那么，这里的本地套接字又是什么呢？

本地套接字是一种特殊类型的套接字，和TCP/UDP套接字不同。TCP/UDP即使在本地地址通信，也要走系统网络协议栈，而本地套接字，严格意义上说提供了一种单主机跨进程间调用的手段，减少了协议栈实现的复杂度，效率比TCP/UDP套接字都要高许多。类似的IPC机制还有UNIX管道、共享内存和RPC调用等。

比如X Window实现，如果发现是本地连接，就会走本地套接字，工作效率非常高。

现在你可以回忆一下，在前面介绍套接字地址时，我们讲到了本地地址，这个本地地址就是本地套接字专属的。

本地字节流套接字

我们先从字节流本地套接字开始。

这是一个字节流类型的本地套接字服务器端例子。在这个例子中，服务器程序打开本地套接字后，接收客户端发送来的字节流，并往客户端回送了新的字节流。

#include  "lib/common.h"

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: unixstreamserver <local_path>");
    }

    int listenfd, connfd;
    socklen_t clilen;
    struct sockaddr_un cliaddr, servaddr;

    listenfd = socket(AF_LOCAL, SOCK_STREAM, 0);
    if (listenfd < 0) {
        error(1, errno, "socket create failed");
    }

    char *local_path = argv[1];
    unlink(local_path);
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sun_family = AF_LOCAL;
    strcpy(servaddr.sun_path, local_path);

    if (bind(listenfd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
        error(1, errno, "bind failed");
    }

    if (listen(listenfd, LISTENQ) < 0) {
        error(1, errno, "listen failed");
    }

    clilen = sizeof(cliaddr);
    if ((connfd = accept(listenfd, (struct sockaddr *) &cliaddr, &clilen)) < 0) {
        if (errno == EINTR)
            error(1, errno, "accept failed");        /* back to for() */
        else
            error(1, errno, "accept failed");
    }

    char buf[BUFFER_SIZE];

    while (1) {
        bzero(buf, sizeof(buf));
        if (read(connfd, buf, BUFFER_SIZE) == 0) {
            printf("client quit");
            break;
        }
        printf("Receive: %s", buf);

        char send_line[MAXLINE];
        sprintf(send_line, "Hi, %s", buf);

        int nbytes = sizeof(send_line);

        if (write(connfd, send_line, nbytes) != nbytes)
            error(1, errno, "write error");
    }

    close(listenfd);
    close(connfd);

    exit(0);

}

我对这个程序做一个详细的解释：

• 第12～15行非常关键，这里创建的套接字类型，注意是AF_LOCAL，并且使用字节流格式。你现在可以回忆一下，TCP的类型是AF_INET和字节流类型；UDP的类型是AF_INET和数据报类型。在前面的文章中，我们提到AF_UNIX也是可以的，基本上可以认为和AF_LOCAL是等价的。
• 第17～21行创建了一个本地地址，这里的本地地址和IPv4、IPv6地址可以对应，数据类型为sockaddr_un，这个数据类型中的sun_family需要填写为AF_LOCAL，最为关键的是需要对sun_path设置一个本地文件路径。我们这里还做了一个unlink操作，以便把存在的文件删除掉，这样可以保持幂等性。
• 第23～29行，分别执行bind和listen操作，这样就监听在一个本地文件路径标识的套接字上，这和普通的TCP服务端程序没什么区别。
• 第41～56行，使用read和write函数从套接字中按照字节流的方式读取和发送数据。

我在这里着重强调一下本地文件路径。关于本地文件路径，需要明确一点，它必须是“绝对路径”，这样的话，编写好的程序可以在任何目录里被启动和管理。如果是“相对路径”，为了保持同样的目的，这个程序的启动路径就必须固定，这样一来，对程序的管理反而是一个很大的负担。

另外还要明确一点，这个本地文件，必须是一个“文件”，不能是一个“目录”。如果文件不存在，后面bind操作时会自动创建这个文件。

还有一点需要牢记，在Linux下，任何文件操作都有权限的概念，应用程序启动时也有应用属主。如果当前启动程序的用户权限不能创建文件，你猜猜会发生什么呢？这里我先卖个关子，一会演示的时候你就会看到结果。

下面我们再看一下客户端程序。

#include "lib/common.h"

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: unixstreamclient <local_path>");
    }

    int sockfd;
    struct sockaddr_un servaddr;

    sockfd = socket(AF_LOCAL, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        error(1, errno, "create socket failed");
    }

    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sun_family = AF_LOCAL;
    strcpy(servaddr.sun_path, argv[1]);

    if (connect(sockfd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
        error(1, errno, "connect failed");
    }

    char send_line[MAXLINE];
    bzero(send_line, MAXLINE);
    char recv_line[MAXLINE];

    while (fgets(send_line, MAXLINE, stdin) != NULL) {

        int nbytes = sizeof(send_line);
        if (write(sockfd, send_line, nbytes) != nbytes)
            error(1, errno, "write error");

        if (read(sockfd, recv_line, MAXLINE) == 0)
            error(1, errno, "server terminated prematurely");

        fputs(recv_line, stdout);
    }

    exit(0);
}

下面我带大家理解一下这个客户端程序。

• 11～14行创建了一个本地套接字，和前面服务器端程序一样，用的也是字节流类型SOCK_STREAM。
• 16～18行初始化目标服务器端的地址。我们知道在TCP编程中，使用的是服务器的IP地址和端口作为目标，在本地套接字中则使用文件路径作为目标标识，sun_path这个字段标识的是目标文件路径，所以这里需要对sun_path进行初始化。
• 20行和TCP客户端一样，发起对目标套接字的connect调用，不过由于是本地套接字，并不会有三次握手。
• 28～38行从标准输入中读取字符串，向服务器端发送，之后将服务器端传输过来的字符打印到标准输出上。

总体上，我们可以看到，本地字节流套接字和TCP服务器端、客户端编程最大的差异就是套接字类型的不同。本地字节流套接字识别服务器不再通过IP地址和端口，而是通过本地文件。

接下来，我们就运行这个程序来加深对此的理解。

只启动客户端

第一个场景中，我们只启动客户端程序：

$ ./unixstreamclient /tmp/unixstream.sock
connect failed: No such file or directory (2)

我们看到，由于没有启动服务器端，没有一个本地套接字在/tmp/unixstream.sock这个文件上监听，客户端直接报错，提示我们没有文件存在。

服务器端监听在无权限的文件路径上

还记得我们在前面卖的关子吗？在Linux下，执行任何应用程序都有应用属主的概念。在这里，我们让服务器端程序的应用属主没有/var/lib/目录的权限，然后试着启动一下这个服务器程序 ：

$ ./unixstreamserver /var/lib/unixstream.sock
bind failed: Permission denied (13)

这个结果告诉我们启动服务器端程序的用户，必须对本地监听路径有权限。这个结果和你期望的一致吗？

试一下root用户启动该程序：

sudo ./unixstreamserver /var/lib/unixstream.sock
(阻塞运行中)

我们看到，服务器端程序正常运行了。

打开另外一个shell，我们看到/var/lib下创建了一个本地文件，大小为0，而且文件的最后结尾有一个（=）号。其实这就是bind的时候自动创建出来的文件。

$ ls -al /var/lib/unixstream.sock
rwxr-xr-x 1 root root 0 Jul 15 12:41 /var/lib/unixstream.sock=

如果我们使用netstat命令查看UNIX域套接字，就会发现unixstreamserver这个进程，监听在/var/lib/unixstream.sock这个文件路径上。

看看，很简单吧，我们写的程序和鼎鼎大名的Kubernetes运行在同一机器上，原理和行为完全一致。

服务器-客户端应答

现在，我们让服务器和客户端都正常启动，并且客户端依次发送字符：

$./unixstreamserver /tmp/unixstream.sock
Receive: g1
Receive: g2
Receive: g3
client quit

$./unixstreamclient /tmp/unixstream.sock
g1
Hi, g1
g2
Hi, g2
g3
Hi, g3
^C

我们可以看到，服务器端陆续收到客户端发送的字节，同时，客户端也收到了服务器端的应答；最后，当我们使用Ctrl+C，让客户端程序退出时，服务器端也正常退出。

本地数据报套接字

我们再来看下在本地套接字上使用数据报的服务器端例子：

#include  "lib/common.h"

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: unixdataserver <local_path>");
    }

    int socket_fd;
    socket_fd = socket(AF_LOCAL, SOCK_DGRAM, 0);
    if (socket_fd < 0) {
        error(1, errno, "socket create failed");
    }

    struct sockaddr_un servaddr;
    char *local_path = argv[1];
    unlink(local_path);
    bzero(&servaddr, sizeof(servaddr));
    servaddr.sun_family = AF_LOCAL;
    strcpy(servaddr.sun_path, local_path);

    if (bind(socket_fd, (struct sockaddr *) &servaddr, sizeof(servaddr)) < 0) {
        error(1, errno, "bind failed");
    }

    char buf[BUFFER_SIZE];
    struct sockaddr_un client_addr;
    socklen_t client_len = sizeof(client_addr);
    while (1) {
        bzero(buf, sizeof(buf));
        if (recvfrom(socket_fd, buf, BUFFER_SIZE, 0, (struct sockadd *) &client_addr, &client_len) == 0) {
            printf("client quit");
            break;
        }
        printf("Receive: %s \n", buf);

        char send_line[MAXLINE];
        bzero(send_line, MAXLINE);
        sprintf(send_line, "Hi, %s", buf);

        size_t nbytes = strlen(send_line);
        printf("now sending: %s \n", send_line);

        if (sendto(socket_fd, send_line, nbytes, 0, (struct sockadd *) &client_addr, client_len) != nbytes)
            error(1, errno, "sendto error");
    }

    close(socket_fd);

    exit(0);
}

本地数据报套接字和前面的字节流本地套接字有以下几点不同：

• 第9行创建的本地套接字，这里创建的套接字类型，注意是AF_LOCAL，协议类型为SOCK_DGRAM。
• 21～23行bind到本地地址之后，没有再调用listen和accept，回忆一下，这其实和UDP的性质一样。
• 28～45行使用recvfrom和sendto来进行数据报的收发，不再是read和send，这其实也和UDP网络程序一致。

然后我们再看一下客户端的例子：

#include "lib/common.h"

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: unixdataclient <local_path>");
    }

    int sockfd;
    struct sockaddr_un client_addr, server_addr;

    sockfd = socket(AF_LOCAL, SOCK_DGRAM, 0);
    if (sockfd < 0) {
        error(1, errno, "create socket failed");
    }

    bzero(&client_addr, sizeof(client_addr));        /* bind an address for us */
    client_addr.sun_family = AF_LOCAL;
    strcpy(client_addr.sun_path, tmpnam(NULL));

    if (bind(sockfd, (struct sockaddr *) &client_addr, sizeof(client_addr)) < 0) {
        error(1, errno, "bind failed");
    }

    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sun_family = AF_LOCAL;
    strcpy(server_addr.sun_path, argv[1]);

    char send_line[MAXLINE];
    bzero(send_line, MAXLINE);
    char recv_line[MAXLINE];

    while (fgets(send_line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
        int i = strlen(send_line);
        if (send_line[i - 1] == '\n') {
            send_line[i - 1] = 0;
        }
        size_t nbytes = strlen(send_line);
        printf("now sending %s \n", send_line);

        if (sendto(sockfd, send_line, nbytes, 0, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr)) != nbytes)
            error(1, errno, "sendto error");

        int n = recvfrom(sockfd, recv_line, MAXLINE, 0, NULL, NULL);
        recv_line[n] = 0;

        fputs(recv_line, stdout);
        fputs("\n", stdout);
    }

    exit(0);
}

这个程序和UDP网络编程的例子基本是一致的，我们可以把它当作是用本地文件替换了IP地址和端口的UDP程序，不过，这里还是有一个非常大的不同的。

这个不同点就在16～22行。你可以看到16～22行将本地套接字bind到本地一个路径上，然而UDP客户端程序是不需要这么做的。本地数据报套接字这么做的原因是，它需要指定一个本地路径，以便在服务器端回包时，可以正确地找到地址；而在UDP客户端程序里，数据是可以通过UDP包的本地地址和端口来匹配的。

下面这段代码就展示了服务器端和客户端通过数据报应答的场景：

 ./unixdataserver /tmp/unixdata.sock
Receive: g1
now sending: Hi, g1
Receive: g2
now sending: Hi, g2
Receive: g3
now sending: Hi, g3

$ ./unixdataclient /tmp/unixdata.sock
g1
now sending g1
Hi, g1
g2
now sending g2
Hi, g2
g3
now sending g3
Hi, g3
^C

我们可以看到，服务器端陆续收到客户端发送的数据报，同时，客户端也收到了服务器端的应答。

总结

我在开头已经说过，本地套接字作为常用的进程间通信技术，被用于各种适用于在同一台主机上进程间通信的场景。关于本地套接字，我们需要牢记以下两点：

• 本地套接字的编程接口和IPv4、IPv6套接字编程接口是一致的，可以支持字节流和数据报两种协议。
• 本地套接字的实现效率大大高于IPv4和IPv6的字节流、数据报套接字实现。

思考题

讲完本地套接字之后，我给你留几道思考题。

1. 在本地套接字字节流类型的客户端-服务器例子中，我们让服务器端以root账号启动，监听在/var/lib/unixstream.sock这个文件上。如果我们让客户端以普通用户权限启动，客户端可以连接上/var/lib/unixstream.sock吗？为什么呢？
2. 我们看到客户端被杀死后，服务器端也正常退出了。看下退出后打印的日志，你不妨判断一下引起服务器端正常退出的逻辑是什么？
3. 你有没有想过这样一个奇怪的场景：如果自己不小心写错了代码，本地套接字服务器端是SOCK_DGRAM，客户端使用的是SOCK_STREAM，路径和其他都是正确的，你觉得会发生什么呢？

欢迎你在评论区写下你的思考，我会和你一起交流这些问题。如果这篇文章帮你弄懂了本地套接字，不妨把它分享给你的朋友或者同事，一起交流一下它吧！