Linux 環(huán)境進(jìn)程間通信(六)套接字

1、Linux 環(huán)境進(jìn)程間通信（六）:套接字2008-04-10 13:16在本專題的前面幾個(gè)部分，如消息隊(duì)列、信號(hào)燈、共享內(nèi)存等，都是基于Sys V的IPC機(jī)制進(jìn)行討論的，它們的應(yīng)用局限在單一計(jì)算機(jī)內(nèi)的進(jìn)程間通信；基于BSD套接口不僅可以實(shí)現(xiàn)單機(jī)內(nèi)的進(jìn)程間通信，還可以實(shí)現(xiàn)不同計(jì)算機(jī)進(jìn)程之間 的通信。本文將主要介紹BSD套接口（sockets），以及基于套接口的重要而基本的API。一個(gè)套接口可以看作是進(jìn)程間 通信的端點(diǎn)（endpoint），每個(gè)套接口的名字都是唯一的（唯一的含義是不言而喻的），其他進(jìn)程可以發(fā)現(xiàn)、連接并且與之通信。通信域用來說明套接口通 信的協(xié)議，不同的通信域有不同的通信協(xié)議以及套接

2、口的地址結(jié)構(gòu)等等，因此，創(chuàng)建一個(gè)套接口時(shí)，要指明它的通信域。比較常見的是unix域套接口（采用套接 口機(jī)制實(shí)現(xiàn)單機(jī)內(nèi)的進(jìn)程間通信）及網(wǎng)際通信域。1、背景知識(shí)linux目前的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核代碼主要基于伯克利的BSD的unix實(shí)現(xiàn)，整個(gè)結(jié)構(gòu)采用的是一種面向?qū)ο蟮姆謱訖C(jī)制。層與層之間有嚴(yán)格的接口定義。這里我們引用1中的一個(gè)圖表來描述linux支持的一些通信協(xié)議：我們這里只關(guān)心IPS，即因特網(wǎng)協(xié)議族，也就是通常所說的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)。我們這里假設(shè)讀者具有網(wǎng)絡(luò)方面的一些背景知識(shí)，如了解網(wǎng)絡(luò)的分層結(jié)構(gòu)，通常所說的7層結(jié)構(gòu)；了解IP地址以及路由的一些基本知識(shí)。目 前l(fā)inux網(wǎng)絡(luò)API是基于BSD套接口的（系統(tǒng)V

3、提供基于流I/O子系統(tǒng)的用戶接口，但是linux內(nèi)核目前不支持流I/O子系統(tǒng)）。套接口可以說是 網(wǎng)絡(luò)編程中一個(gè)非常重要的概念，linux以文件的形式實(shí)現(xiàn)套接口，與套接口相應(yīng)的文件屬于sockfs特殊文件系統(tǒng)，創(chuàng)建一個(gè)套接口就是在sockfs 中創(chuàng)建一個(gè)特殊文件，并建立起為實(shí)現(xiàn)套接口功能的相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。換句話說，對(duì)每一個(gè)新創(chuàng)建的BSD套接口，linux內(nèi)核都將在sockfs特殊文件系統(tǒng) 中創(chuàng)建一個(gè)新的inode。描述套接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是socket，將在后面給出。2、重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)下面是在網(wǎng)絡(luò)編程中比較重要的幾個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，讀者可以在后面介紹編程API部分再回過頭來了解它們。（1）表示套接口的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

4、struct socket套接口是由socket數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)代表的，形式如下：struct socketsocket_state state; /* 指明套接口的連接狀態(tài)，一個(gè)套接口的連接狀態(tài)可以有以下幾種套接口是空閑的，還沒有進(jìn)行相應(yīng)的端口及地址的綁定；還沒有連接；正在連接中；已經(jīng)連接；正在解除連接。 */ unsigned long flags; struct proto_ops ops; /* 指明可對(duì)套接口進(jìn)行的各種操作 */ struct inode inode; /* 指向sockfs文件系統(tǒng)中的相應(yīng)inode */ struct fasync_struct *fasync_list;

5、 /* Asynchronous wake up list */ struct file *file; /* 指向sockfs文件系統(tǒng)中的相應(yīng)文件 */struct sock sk; /* 任何協(xié)議族都有其特定的套接口特性，該域就指向特定協(xié)議族的套接口對(duì)象。 */ wait_queue_head_t wait; short type; unsigned char passcred;（2）描述套接口通用地址的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct sockaddr由于歷史的緣故，在bind、connect等系統(tǒng)調(diào)用中，特定于協(xié)議的套接口地址結(jié)構(gòu)指針都要強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成該通用的套接口地址結(jié)構(gòu)指針。結(jié)構(gòu)形式如下：struc

6、t sockaddr sa_family_t sa_family; /* address family, AF_xxx */ char sa_data14; /* 14 bytes of protocol address */;（3）描述因特網(wǎng)地址結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct sockaddr_in（這里局限于IP4）：struct sockaddr_in _SOCKADDR_COMMON (sin_); /* 描述協(xié)議族 */ in_port_t sin_port; /* 端口號(hào) */ struct in_addr sin_addr; /* 因特網(wǎng)地址 */ /* Pad to size of

7、 struct sockaddr'. */ unsigned char sin_zerosizeof (struct sockaddr) - _SOCKADDR_COMMON_SIZE - sizeof (in_port_t) - sizeof (struct in_addr); ;一般來說，讀者最關(guān)心的是前三個(gè)域，即通信協(xié)議、端口號(hào)及地址。3、套接口編程的幾個(gè)重要步驟：（1）創(chuàng)建套接口，由系統(tǒng)調(diào)用socket實(shí)現(xiàn)：int socket( int domain, int type, int ptotocol);參數(shù)domain指明通信域，如PF_UNIX （unix域），PF_INET

8、（IPv4），PF_INET6(IPv6)等；type指明通信類型，如SOCK_STREAM(面向連接方式)、 SOCK_DGRAM(非面向連接方式)等。一般來說，參數(shù)protocol可設(shè)置為0，除非用在原始套接口上（原始套接口有一些特殊功能，后面還將介 紹）。注：socket（）系統(tǒng)調(diào)用為套接口在sockfs文件系統(tǒng)中分配一個(gè)新的文 件和dentry對(duì)象，并通過文件描述符把它們與調(diào)用進(jìn)程聯(lián)系起來。進(jìn)程可以像訪問一個(gè)已經(jīng)打開的文件一樣訪問套接口在sockfs中的對(duì)應(yīng)文件。但進(jìn)程 絕不能調(diào)用open()來訪問該文件（sockfs文件系統(tǒng)沒有可視安裝點(diǎn)，其中的文件永遠(yuǎn)不會(huì)出現(xiàn)在系統(tǒng)目錄樹上），當(dāng)套

9、接口被關(guān)閉時(shí)，內(nèi)核會(huì)自動(dòng)刪除 sockfs中的inodes。（2）綁定地址根據(jù)傳輸層協(xié)議（TCP、UDP）的不同，客戶機(jī)及服務(wù)器的處理方式也有很大不同。但是，不管通信雙方使用何種傳輸協(xié)議，都需要一種標(biāo)識(shí)自己的機(jī)制。通信雙方一般由兩個(gè)方面標(biāo)識(shí)：地址和端口號(hào)（通常，一個(gè)IP地址和一個(gè)端口號(hào)常常被稱為一個(gè)套接口）。根據(jù)地址可以尋址到主機(jī)，根據(jù)端口號(hào)則可以尋址到主機(jī)提供特定服務(wù)的進(jìn)程，實(shí)際上，一個(gè)特定的端口號(hào)代表了一個(gè)提供特定服務(wù)的進(jìn)程。對(duì) 于使用TCP傳輸協(xié)議通信方式來說，通信雙方需要給自己綁定一個(gè)唯一標(biāo)識(shí)自己的套接口，以便建立連接；對(duì)于使用UDP傳輸協(xié)議，只需要服務(wù)器綁定一個(gè)標(biāo)識(shí) 自己的套接口就可

10、以了，用戶則不需要綁定(在需要時(shí)，如調(diào)用connect時(shí)注1，內(nèi)核會(huì)自動(dòng)分配一個(gè)本地地址和本地端口號(hào))。綁定操作由系統(tǒng)調(diào)用 bind()完成：int bind( int sockfd, const struct sockaddr * my_addr, socklen_t my_addr_len)第二個(gè)參數(shù)對(duì)于Ipv4來說，實(shí)際上需要填充的結(jié)構(gòu) 是struct sockaddr_in，前面已經(jīng)介紹了該結(jié)構(gòu)。這里只想強(qiáng)調(diào)該結(jié)構(gòu)的第一個(gè)域，它表明該套接口使用的通信協(xié)議，如AF_INET。聯(lián)系socket系統(tǒng) 調(diào)用的第一個(gè)參數(shù)，讀者可能會(huì)想到PF_INET與AF_INET究竟有什么不同？實(shí)際上，原來的

11、想法是每個(gè)通信域（如PF_INET）可能對(duì)應(yīng)多個(gè)協(xié)議 （如AF_INET），而事實(shí)上支持多個(gè)協(xié)議的通信域一直沒有實(shí)現(xiàn)。因此，在linux內(nèi)核中，AF_*與PF_*被定義為同一個(gè)常數(shù)，因此，在 編程時(shí)可以不加區(qū)分地使用他們。注1：在采用非面向連接通信方式時(shí)，也會(huì)用到 connect()調(diào)用，不過與在面向連接中的connect（）調(diào)用有本質(zhì)的區(qū)別：在非面向連接通信中，connect調(diào)用只是先設(shè)置一下對(duì)方的地址， 內(nèi)核為本地套接口記下對(duì)方的地址，然后采用send()來發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣避免每次發(fā)送時(shí)都要提供相同的目的地址。其中的connect()調(diào)用不涉及握手 過程；而在面向連接的通信方式中，conne

12、ct()要完成一個(gè)嚴(yán)格的握手過程。（3）請(qǐng)求建立連接（由TCP客戶發(fā)起）對(duì)于采用面向連接的傳輸協(xié)議TCP實(shí)現(xiàn)通信來說，一個(gè)比較重要的步驟就是通信雙方建立連接（如果采用udp傳輸協(xié)議則不需要），由系統(tǒng)調(diào)用connect()完成：int connect( int sockfd, const struct sockaddr * servaddr, socklen_t addrlen)第一個(gè)參數(shù)為本地調(diào)用socket后返回的描述符，第二個(gè)參數(shù)為服務(wù)器的地址結(jié)構(gòu)指針。connect（）向指定的套接口請(qǐng)求建立連接。注：與connect（）相對(duì)應(yīng)，在服務(wù)器端，通過系統(tǒng)調(diào)用listen()，指定服務(wù)器端的套接

13、口為監(jiān)聽套接口，監(jiān)聽每一個(gè)向服務(wù)器套接口發(fā)出的連接請(qǐng)求，并通過握手機(jī)制建立連接。內(nèi)核為listen()維護(hù)兩個(gè)隊(duì)列：已完成連接隊(duì)列和未完成連接隊(duì)列。（4）接受連接請(qǐng)求（由TCP服務(wù)器端發(fā)起）服 務(wù)器端通過監(jiān)聽套接口，為所有連接請(qǐng)求建立了兩個(gè)隊(duì)列：已完成連接隊(duì)列和未完成連接隊(duì)列（每個(gè)監(jiān)聽套接口都對(duì)應(yīng)這樣兩個(gè)隊(duì)列，當(dāng)然，一般服務(wù)器只有一個(gè)監(jiān) 聽套接口）。通過accept()調(diào)用，服務(wù)器將在監(jiān)聽套接口的已連接隊(duì)列頭中，返回用于代表當(dāng)前連接的套接口描述字。int accept( int sockfd, struct sockaddr * cliaddr, socklen_t * addrlen)第一個(gè)

14、參數(shù)指明哪個(gè)監(jiān)聽套接口，一般是由 listen（）系統(tǒng)調(diào)用指定的（由于每個(gè)監(jiān)聽套接口都對(duì)應(yīng)已連接和未連接兩個(gè)隊(duì)列，因此它的內(nèi)部機(jī)制實(shí)質(zhì)是通過sockfd指定在哪個(gè)已連接隊(duì)列頭中返 回一個(gè)用于當(dāng)前客戶的連接，如果相應(yīng)的已連接隊(duì)列為空，accept進(jìn)入睡眠）。第二個(gè)參數(shù)指明客戶的地址結(jié)構(gòu)，如果對(duì)客戶的身份不感興趣，可指定其為 空。注：對(duì)于采用TCP傳輸協(xié)議進(jìn)行通信的服務(wù)器和客戶機(jī)來說，一定要經(jīng)過客戶請(qǐng)求建立連接，服務(wù)器接受連接請(qǐng)求這一過程；而對(duì)采用UDP傳輸協(xié)議的通信雙方則不需要這一步驟。（5）通信客戶機(jī)可以通過套接口接收服務(wù)器傳過來的數(shù)據(jù)，也可以通過套接口向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。前面所有的準(zhǔn)備工作（創(chuàng)

15、建套接口、綁定等操作）都是為這一步驟準(zhǔn)備的。常用的從套接口中接收數(shù)據(jù)的調(diào)用有：recv、recvfrom、recvmsg等，常用的向套接口中發(fā)送數(shù)據(jù)的調(diào)用有send、sendto、sendmsg等。int recv(int s, void * buf, size_t len, int flags)int recvfrom(int s, void * buf, size_t len, int flags, struct sockaddr * from, socklen_t * fromlen)int recvmsg(int s, struct msghdr * msg, int flags)in

16、t send(int s,const void * msg, size_t len, int flags)int sendto(int s, const void * msg, size_t len, int flags const struct sockaddr * to, socklen_t tolen)int sendmsg(int s, const struct msghdr * msg, int flags)這 里不再對(duì)這些調(diào)用作具體的說明，只想強(qiáng)調(diào)一下，recvfrom（）以及recvmsg（）可用于面向連接的套接口，也可用于面向非連接的套接口；而 recv（）一般用于面向連接的套

17、接口。另外，在調(diào)用了connect()之后，就應(yīng)給調(diào)用send()而不是sendto()了，因?yàn)檎{(diào)用了 connect之后，目標(biāo)就已經(jīng)確定了。前面講到，socket（）系統(tǒng)調(diào)用返回套接口描述字，實(shí)際上它是一個(gè)文件描述 符。所以，可以對(duì)套接口進(jìn)行通常的讀寫操作，即使用read()及write()方法。在實(shí)際應(yīng)用中，由于面向連接的通信（采用TCP傳輸協(xié)議）是可靠 的，同時(shí)又保證字節(jié)流原有的順序，所以更適合用read及write方法。而非面向連接的通信（采用UDP傳輸協(xié)議）是不可靠的，字節(jié)流也不一定保持原有 的順序，所以一般不宜用read及write方法。（6）通信的最后一步是關(guān)閉套接口由close

18、()來完成此項(xiàng)功能，它唯一的參數(shù)是套接口描述字，不再贅述。4、典型調(diào)用代碼：到處可以發(fā)現(xiàn)基于套接口的客戶機(jī)及服務(wù)器程序，這里不再給出完整的范例代碼，只是給出它們的典型調(diào)用代碼，并給出簡要說明。（1）典型的TCP服務(wù)器代碼：. .int listen_fd, connect_fd;struct sockaddr_in serv_addr, client_addr;. .listen_fd = socket ( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );/* 創(chuàng)建網(wǎng)際Ipv4域的（由PF_INET指定）面向連接的（由SOCK_STREAM指定，如果創(chuàng)建非面向連接的套接口則指定為SOCK_

19、DGRAM）的套接口。第三個(gè)參數(shù)0表示由內(nèi)核確定缺省的傳輸協(xié)議，對(duì)于本例，由于創(chuàng)建的是可靠的面向連接的基于流的套接口，內(nèi)核將選擇TCP作為本套接口的傳輸協(xié)議） */bzero( &serv_addr, sizeof(serv_addr) );serv_addr.sin_family = AF_INET ; /* 指明通信協(xié)議族 */serv_addr.sin_port = htons( 49152 ) ; /* 分配端口號(hào) */inet_pton(AF_INET, " 1", &serv_addr.sin_sddr) ;/* 分配地址，

20、把點(diǎn)分十進(jìn)制IPv4地址轉(zhuǎn)化為32位二進(jìn)制Ipv4地址。 */bind( listen_fd, (struct sockaddr*) serv_addr, sizeof ( struct sockaddr_in ) ; /* 實(shí)現(xiàn)綁定操作 */listen( listen_fd, max_num) ; /* 套接口進(jìn)入偵聽狀態(tài)，max_num規(guī)定了內(nèi)核為此套接口排隊(duì)的最大連接個(gè)數(shù) */for( ; ; ) . .connect_fd = accept( listen_fd, (struct sockaddr*)client_addr, &len ) ; /* 獲得連接fd. */. .

21、 /* 發(fā)送和接收數(shù)據(jù) */注：端口號(hào)的分 配是有一些慣例的，不同的端口號(hào)對(duì)應(yīng)不同的服務(wù)或進(jìn)程。比如一般都把端口號(hào)21分配給FTP服務(wù)器的TCP/IP實(shí)現(xiàn)。端口號(hào)一般分為3段，0-1023 （受限的眾所周知的端口，由分配數(shù)值的權(quán)威機(jī)構(gòu)IANA管理），1024-49151（可以從IANA那里申請(qǐng)注冊(cè)的端口），49152-65535（臨 時(shí)端口，這就是為什么代碼中的端口號(hào)為49152）。對(duì)于多字節(jié)整數(shù)在內(nèi)存中有兩種存儲(chǔ)方式：一種是低字節(jié)在前，高字節(jié)在后，這樣的存儲(chǔ)順序被稱為低端字節(jié)序 （little-endian）；高字節(jié)在前，低字節(jié)在后的存儲(chǔ)順序則被稱為高端字節(jié)序（big-endian）。網(wǎng)絡(luò)協(xié)

22、議在處理多字節(jié)整數(shù)時(shí)，采用的是 高端字節(jié)序，而不同的主機(jī)可能采用不同的字節(jié)序。因此在編程時(shí)一定要考慮主機(jī)字節(jié)序與網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序間的相互轉(zhuǎn)換。這就是程序中使用htons函數(shù)的原因，它 返回網(wǎng)絡(luò)字節(jié)序的整數(shù)。（2）典型的TCP客戶代碼：. .int socket_fd;struct sockaddr_in serv_addr ;. .socket_fd = socket ( PF_INET, SOCK_STREAM, 0 );bzero( &serv_addr, sizeof(serv_addr) );serv_addr.sin_family = AF_INET ; /* 指明通信協(xié)議族 */

23、serv_addr.sin_port = htons( 49152 ) ; /* 分配端口號(hào) */inet_pton(AF_INET, " 1", &serv_addr.sin_sddr) ;/* 分配地址，把點(diǎn)分十進(jìn)制IPv4地址轉(zhuǎn)化為32位二進(jìn)制Ipv4地址。 */connect( socket_fd, (struct sockaddr*)serv_addr, sizeof( serv_addr ) ) ; /* 向服務(wù)器發(fā)起連接請(qǐng)求 */. . /* 發(fā)送和接收數(shù)據(jù) */. .對(duì)比兩段代碼可以看出，許多調(diào)用是服務(wù)器或客戶機(jī)所特有的。另外，

24、對(duì)于非面向連接的傳輸協(xié)議，代碼還有簡單些，沒有連接的發(fā)起請(qǐng)求和接收請(qǐng)求部分。5、網(wǎng)絡(luò)編程中的其他重要概念下面列出了網(wǎng)絡(luò)編程中的其他重要概念，基本上都是給出這些概念能夠?qū)崿F(xiàn)的功能，讀者在編程過程中如果需要這些功能，可查閱相關(guān)概念。（1）、I/O復(fù)用的概念I(lǐng)/O 復(fù)用提供一種能力，這種能力使得當(dāng)一個(gè)I/O條件滿足時(shí)，進(jìn)程能夠及時(shí)得到這個(gè)信息。I/O復(fù)用一般應(yīng)用在進(jìn)程需要處理多個(gè)描述字的場合。它的一個(gè)優(yōu)勢在 于，進(jìn)程不是阻塞在真正的I/O調(diào)用上，而是阻塞在select()調(diào)用上，select()可以同時(shí)處理多個(gè)描述字，如果它所處理的所有描述字的I/O 都沒有處于準(zhǔn)備好的狀態(tài)，那么將阻塞；如果有一個(gè)或多個(gè)描述字I/O處于準(zhǔn)備好狀態(tài)，則select()不阻塞，同時(shí)會(huì)根據(jù)準(zhǔn)備好的特定描述字采取相應(yīng)的 I/O操作。（2）、Unix通信域前 面主要介紹的是PF_INET通信域，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)際間的進(jìn)程間通信。基于Unix通信域（調(diào)用socket時(shí)指定通信域?yàn)镻F_LOCAL即可）的套接口可以 實(shí)現(xiàn)單機(jī)之間的進(jìn)程間通信。采用Unix通信域套接口有幾個(gè)好處：Unix通信域套接口通常是TCP套接口速度的兩倍；另一個(gè)好處