计算机网络之从Socket到UDS

于 2025-05-10 11:05:18 发布
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分类专栏： # 计算机网络 文章标签： 计算机网络
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Socket

Socket是什么

Socket 是应用层与 TCP/IP 协议族通信的中间软件抽象层，它是一组编程接口（API），可以看作是主机间通信的端点。Socket 编程是网络应用开发的基础，几乎所有网络协议和应用程序都是基于 Socket 接口实现的。
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Socket原理

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Socket的系统调用

int socket(int domain, int type, int protocal)

  • domain：即协议域，又称为协议族（family）。 协议族决定了socket的地址类型，在通信中必须采用对应的地址，如AF_INET决定了要用ipv4地址（32位的）与端口号（16位的）的组合、AF_UNIX决定了要用一个绝对路径名作为地址。常用的地址族有：

    • AF_INET
    • AF_INET6
    • AF_LOCAL（AF_UNIX，本地通信用）
    • AF_ROUTE

  • type：信息传送方式。常用的信息传送方式有：

    • SOCK_STREAM
    • SOCK_DGRAM
    • SOCK_RAW
    • SOCK_PACKET
    • SOCK_SEQPACKET

  • protocol：对应协议。通常设置为0,让其自动匹配。

    • IPPROTO_TCP TCP传输协议
    • IPPROTO_UDP UDP传输协议
    • IPPROTO_SCTP STCP传输协议
    • IPPROTO_TIPCTIPC传输协议

  • 实现 TCP 字节流通信: socket 类型是 AF-INET 和 SOCK_STREAM;

  • 实现 UDP 数据报通信：socket 类型是 AF_INET 和 SOCK_DGRAM;

  • 实现本地进程间通信： 「本地字节流 socket」类型是 AF_LOCAL 和 SOCK_STREAM,「本地数据报socket 」类型是AF_LOCAL和SOCK_DGRAM。另外, AF_UNIX和AF_LOCAL是等价的,所以AF_UNIX 也属于本地 socket;

Unix domain socket

UNIX Domain Socket 详解：高效的进程间通信机制

一、UNIX Domain Socket 概述

UNIX Domain Socket（简称 UDS），又称 IPC socket，是一种基于 socket 框架发展而来的高效进程间通信(IPC)机制，专为同一主机上的进程通信设计。作为 POSIX 标准组件，它不仅限于 UNIX 系统，Linux 等现代操作系统也都提供了完善支持。

与网络 Socket 的关键区别

虽然传统网络 socket 通过 loopback 地址(127.0.0.1)也能实现本地进程通信，但 UDS 具有显著优势：

  1. 协议栈差异：

    • 网络 socket：需要经过完整的 TCP/IP 协议栈处理
    • UDS：完全绕过网络协议栈，直接在内核中完成数据传递

  2. 数据传输效率：

    • 网络 socket：需要打包/拆包、计算校验和、维护序列号和应答机制
    • UDS：直接将应用层数据从一个进程缓冲区拷贝到另一个进程缓冲区

  3. 性能表现：

    • 实测表明 UDS 的传输效率比 loopback 网络 socket 快近一倍
    • 减少了至少两次数据拷贝(用户态-内核态-用户态)

  4. 可靠性：

    • UDS 基于本地文件系统实现，不受网络环境影响
    • 内核保证数据传输的原子性和顺序性

二、UNIX Domain Socket 核心特性

1. 全双工通信

UDS 支持全双工工作模式，通信双方可以同时进行读写操作，这与管道(Pipe)等半双工 IPC 机制形成鲜明对比。

2. 丰富的 API 语义

继承自 BSD socket 的完整 API 体系，提供比传统 IPC 机制更灵活的控制能力：

  • 支持面向连接(SOCK_STREAM)和无连接(SOCK_DGRAM)两种模式
  • 提供 select/poll/epoll 等多路复用机制
  • 支持带外数据等高级特性

3. 文件系统集成

UDS 通过特殊的 socket 文件进行标识：

struct sockaddr_un {
    sa_family_t sun_family;    /* AF_UNIX */
    char sun_path[108];        /* 路径名 */
};

这种设计带来了额外优势：

  • 天然的权限控制(通过文件权限位)
  • 直观的进程间可见性(通过文件系统)
  • 持久化能力(虽然不常用)

4. 广泛的应用支持

已成为事实上的标准 IPC 机制：

  • X Window 系统(GUI 通信)
  • Docker/容器技术(控制面通信)
  • DBMS(如 MySQL 的本地连接)
  • 系统监控工具(如 Prometheus 的 node_exporter)

三、UNIX Domain Socket 编程详解

基本通信流程

服务器端流程：

  1. 创建 socket：socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)
  2. 绑定地址：bind() 指定 socket 文件路径
  3. 监听连接：listen()
  4. 接受连接：accept()
  5. 数据交换：read()/write() 或 send()/recv()
  6. 关闭连接：close()

客户端流程：

  1. 创建 socket
  2. 连接服务器：connect()
  3. 数据交换
  4. 关闭连接

关键系统调用

#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>

// 创建socket
int socket(int domain, int type, int protocol);
// domain: AF_UNIX
// type: SOCK_STREAM(可靠连接)或SOCK_DGRAM(数据报)

// 地址绑定
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

// 连接建立
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

// 数据收发
ssize_t send(int sockfd, const void *buf, size_t len, int flags);
ssize_t recv(int sockfd, void *buf, size_t len, int flags);

完整示例代码

服务器端 server.c：

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

#define SOCKET_PATH "/tmp/demo_socket"

int main() {
    int server_fd, client_fd;
    struct sockaddr_un server_addr, client_addr;
    socklen_t client_len;
    char buf[256];
    
    // 1. 创建socket
    server_fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
    if (server_fd == -1) {
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 2. 绑定地址
    memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
    server_addr.sun_family = AF_UNIX;
    strncpy(server_addr.sun_path, SOCKET_PATH, sizeof(server_addr.sun_path)-1);
    
    unlink(SOCKET_PATH); // 确保文件不存在
    if (bind(server_fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
        perror("bind");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 3. 监听
    if (listen(server_fd, 5) == -1) {
        perror("listen");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    printf("Server listening...\n");
    
    // 4. 接受连接
    client_len = sizeof(client_addr);
    client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &client_len);
    if (client_fd == -1) {
        perror("accept");
        close(server_fd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 5. 数据交换
    ssize_t num_read = read(client_fd, buf, sizeof(buf));
    printf("Received: %.*s\n", (int)num_read, buf);
    
    const char *msg = "Hello from server!";
    write(client_fd, msg, strlen(msg));
    
    // 6. 清理
    close(client_fd);
    close(server_fd);
    unlink(SOCKET_PATH);
    return 0;
}

客户端 client.c：

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

#define SOCKET_PATH "/tmp/demo_socket"

int main() {
    int sockfd;
    struct sockaddr_un addr;
    char buf[256];
    
    // 1. 创建socket
    sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
    if (sockfd == -1) {
        perror("socket");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 2. 连接服务器
    memset(&addr, 0, sizeof(addr));
    addr.sun_family = AF_UNIX;
    strncpy(addr.sun_path, SOCKET_PATH, sizeof(addr.sun_path)-1);
    
    if (connect(sockfd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr)) == -1) {
        perror("connect");
        close(sockfd);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    
    // 3. 数据交换
    const char *msg = "Hello from client!";
    write(sockfd, msg, strlen(msg));
    
    ssize_t num_read = read(sockfd, buf, sizeof(buf));
    printf("Received: %.*s\n", (int)num_read, buf);
    
    // 4. 清理
    close(sockfd);
    return 0;
}

四、高级特性与最佳实践

1. 性能优化技巧

  • 使用 sendmsg/recvmsg：支持分散/聚集IO，减少数据拷贝
  • 设置非阻塞模式：配合IO多路复用提高并发能力
  • 适当调整缓冲区大小：平衡内存使用和系统调用开销

2. 安全注意事项

  • 设置严格的文件权限(通常设为0700)
  • 验证对端进程身份(通过 getsockopt SO_PEERCRED)
  • 避免使用公共目录存放socket文件

3. 抽象socket命名空间

Linux 3.8+支持抽象socket命名空间：

addr.sun_path[0] = '\0';  // 第一个字节为null
strncpy(addr.sun_path+1, "abstract_name", sizeof(addr.sun_path)-2);

特点：

  • 不创建实际文件
  • 生命周期与内核相同
  • 自动清理

4. 与其它IPC机制对比

特性UDS管道共享内存消息队列
通信方向全双工半双工双向双向
数据边界保留字节流无保留
访问控制文件权限文件权限无系统权限
性能高中最高中低
复杂度中低高中

五、实际应用场景

  1. 微服务架构：同一主机上的服务间通信
  2. 安全沙箱：受限环境下的进程隔离与通信
  3. 高性能代理：Nginx等服务器与后端进程通信
  4. 设备控制：用户空间与内核模块的交互
  5. 桌面环境：GUI应用与后台服务通信

结语

UNIX Domain Socket 凭借其高效性、可靠性和丰富的功能特性，已成为现代操作系统中进程间通信的首选方案。无论是系统级开发还是应用层编程，深入理解 UDS 的工作原理和最佳实践，都能帮助开发者构建更高效、更可靠的本地通信系统。随着容器化技术的普及，UDS 在隔离环境通信中的作用将愈发重要。

参考文章

https://blog.youkuaiyun.com/weixin_39258979/article/details/80835555

https://xiaolincoding.com/os/4_process/process_commu.html#socket

https://www.cnblogs.com/sparkdev/p/8359028.html

https://blog.youkuaiyun.com/weixin_39258979/article/details/80931464

IPC之九：使用UNIX Domain Socket进行进程间通信的实例
whowin
12-22 4247
socket编程是一种用于网络通信的编程方式，在socket的协议族中除了常用的AF_INET、AF_RAW、AF_NETLINK等以外，还有一个专门用于IPC的协议族AF_UNIX，IPC是Linux编程中一个重要的概念，常用的IPC方式有管道、消息队列、共享内存等，本文主要介绍用于本地进程间通信的UNIX Domain Socket，本文给出了多个具体的实例，每个实例均附有完整的源代码；本文所有实例在Ubuntu 20.04上本文的实例中涉及多进程编程等，本文对Linux编程的初学者有一些难度。
【0189】UNIX域套接字（UNIX Domain Socket）（1）
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04-20 751
基于原始 BSD 4.2/4.3 的代码，如 Free/Net/OpenBSD 和 mac OS 将返回EINVAL，而当前的 Linux 实现将返回EADDRINUSE（据说 FWIW WinSOCK 返回WSAEADDRINUSE）。尽管在磁盘上创建文件，但 Unix 套接字实际上并没有将它们发送的数据写入磁盘，因为那样太慢了。如果您的代码实际上关心返回的是哪个值ERRNO，那么您需要man 2 listen在您的系统上执行命令（或使用相同接口为您的系统执行适当的文档）并确保您的代码处理正确的错误。
Epoll的本质（内部实现原理）
k916631305的博客
11-06 1809
转自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/63179839 作者：罗培羽 从事服务端开发，少不了要接触网络编程。epoll作为linux下高性能网络服务器的必备技术至关重要，nginx、redis、skynet和大部分游戏服务器都使用到这一多路复用技术。 因为epoll的重要性，不少游戏公司（如某某九九）在招聘服务端同学时，可能会问及epoll相关的问题。比如epoll和select的区别是什么？epoll高效率的原因是什么？如果只靠背诵，显然不能算上深刻的理解。 网上虽.
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基于UnixSocket抽象命名空间的采坑记录
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基于UnixSocket抽象命名空间的采坑记录背景Unix Socket显式文件的缺陷解决方案和测试难点问题浮现峰回路转后续思考 背景 最近接手的某平台的某个服务与业务的通讯交互方式是通过Unix Socket的方式，这种通讯方式相对于已有的TCP来说，效率更高，传输效率大约是TCP的两倍。高效的同时，也是数据可靠的，但是它的缺点是必须本机通讯。由平台的机制，通过这种方式收进行通讯，对性能开销小、...
本地进程间通信（二）--套接字socket
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一、什么是Socket？　 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。本文主要介绍本地进程间socket通信。 我们知道两个进程如果需要进行通讯最基本的一个前提能能够唯一的标示一个进程，在本地进程通讯中我们可以使用PID来唯一标示一个进程，但PID只在本地唯一，网络中的两个进程PID冲突几率很大，这时候我们需要另辟它径了，我们知道IP层的ip地址可以唯一标示主机，而TCP层协议和端口号可以唯一标示主机的一个进程，这样我们可以利用ip地址＋
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要写网络程序就必须用Socket，这是程序员都知道的。而且，面试的时候，我们也会问对方会不会Socket编程？一般来说，很多人都会说，Socket编程基本就是listen，accept以及send，write等几个基本的操作。是的，就跟常见的文件操作一样，只要写过就一定知道。  对于网络编程，我们也言必称TCP/IP，似乎其它网络协议已经不存在了。对于TCP/IP，我们还知道TCP和UDP
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06-09 1万+
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Socket编程实践(13) --UNIX域协议
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UNIX域协议 UNIX域套接字与TCP相比,在同一台主机上,UNIX域套接字更有效率,几乎是TCP的两倍(由于UNIX域套接字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,而且UNIX域协议机制本质上就是可靠的通讯,而网络协议是为不可靠的通讯设计的). UNIX域套接字可以在同一台主机上各进程之间传递文件描...
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