概念：Linux本地IPC之Unix域协议

Unix域协议并不是一个实际的协议族，它只是在同一台主机上进行客户-服务器通信时，使用与在不同主机上的客户和服务器间通信时相同的API(套接口或XTI)的一种方法，我们知道不同主机之间的TCP或者UDP通信其实也是通过socket来实现的。

当客户和服务器在同一台主机上时，Unix域协议是IPC通信方式的一种替代品。也就是说Unix域协议是进程间通信（IPC）的一种方法，还可以通过管道等等。

Unix域提供了两种类型的套接口：字节流套接口(与TCP类似)和数据报套接口(与UDP类似)。

Unix domain socket 或者 IPC socket （进程间通信 socket）是一种终端，可以使同一台操作系统上的两个或多个进程进行数据通信。与管道相比，Unix domain sockets 既可以使用字节流，又可以使用数据队列，而管道通信则只能使用字节流。Unix domain sockets的接口和Internet socket很像，但它不使用网络底层协议来通信。Unix domain socket 的功能是POSIX操作系统里的一种组件。 
Unix domain sockets 使用系统文件的地址来作为自己的身份。它可以被系统进程引用。所以两个进程可以同时打开一个Unix domain sockets来进行通信。不过这种通信方式是发生在系统内核里而不会在网络里传播。

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，类似于网络socket的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);
}