Unix/Linux编程：Unix domain socket

Love The Way You Lie 2022-10-05 00:38 269阅读 0赞

> UNIX domain socket用于同一主机系统上的相互通信

# UNIX domain socket 地址：struct sockaddr\_un #

在Unix domain中，socket地址以路径名来表示，domain特定的socket地址结构的定义如下所示：

struct sockaddr_un{
        
    	sa_family_t sun_family;   // always AF_UNIX
    	char sun_path[128];  
    };

> sockaddr\_un 结构中字段的 sun\_前缀与 Sun Microsystems 没有任何关系，它是根据 socket unix 而来的。

为将一个Unix domain socket绑定到一个地址上，需要初始化一个sockaddr\_un结构，然后将指定这个结构的一个指针作为addr参数bind()并将addrlen指定为这个结构的大小。如下所示：

const char *SV_SOCK_PATH = "/tmp/mysock";
    	int sfd;
    	struct sockaddr_un addr;
    
    	 // 绑定一个 UNIX domain socket 
     	 sfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
        if (sfd == -1){
        
            perror("socket");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
        
         memset(&addr, 0, sizeof(struct sockaddr_un));
        addr.sun_family = AF_UNIX;
        strncpy(addr.sun_path, SV_SOCK_PATH, sizeof(addr.sun_path) - 1);
    
        if (bind(sfd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(struct sockaddr_un)) == -1)
        {
        
            printf("bind");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }

当用来绑定 UNIX domain socket 时，bind()会在文件系统中创建一个条目(因此作为socket路径名的一部分目录需要可访问和可读写)。文件的所有权将根据常规的文件创建规则来确定。这个文件会被标记为一个socket。当在这个路径名上stat()时，它会在stat结构的st\_mode字段中的文件类型部分返回值S\_IFSOCK。当使用ls –l列出时，UNIX domain socket 在第一列将会显示类型 s，而 ls –F 则会在 socket 路径名后面附加上一个等号（=）。

>  *  尽管Unix domain socket是通过路径名来标识的，但在这些socket上发生的IO无限对底层设备进行操作。
>  *  将 UNIX domain socket 绑定到/tmp 目录下的一个路径名上并不是一个安全的设计，在诸如/tmp 此类公共可写的目录中创建文件可能会导致各种各样的安全问题。例如在/tmp 中创建一个名字与应用程序 socket 的路径名一样的路径名之  
>     后就能够完成一个简单的拒绝服务攻击了。现实世界中的应用程序应该将 UNIX domain socket bind()到一个采取了恰当的安全保护措施的目录中的绝对路径名上

有关绑定一个 UNIX domain socket 方面还需要注意以下几点

*  无法将一个socket绑定到一个既有路径上（bind()会失败并返回 EADDRINUSE 错误）。
 *  通常将一个socket绑定到一个绝对路径上，这样这个socket就会位于文件系统中的一个固定地址处。当然，也可以使用一个相对路径名，但这种做法并不常见，因为它要求想要 connect()这个 socket 的应用程序知道执行 bind()的应用程序的当前工作目录。
 *  一个socket只能绑定到一个路径名上，相应的，一个路径名只能被一个socket绑定
 *  无法使用open()打开一个socket
 *  当不再需要一个socket时可以使用unlink()（或 remove()）删除其路径名条目（通常也应该这样做）

# UNIX domain 中的流 socket #

下面是一个简单的 UNIX domain 流 socket 服务器 (这个服务器是一个简单的迭代式服务器——服务器在处理下一个客户端之前一次只处理一个客户端)

// us_xfr.h
    #include <iostream>
    #define BACKLOG 5
    #define SV_SOCK_PATH "/tmp/us_xfr"
    #define BUF_SIZE 100
    int main(int argc, char *argv[])
    {
        
        struct sockaddr_un addr;
        int sfd, cfd;
        ssize_t numRead;
        char buf[BUF_SIZE];
    
        // 创建一个 socket。
        sfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
        if (sfd == -1){
        
            perror("socket");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    
    
        if (strlen(SV_SOCK_PATH) > sizeof(addr.sun_path) - 1){
        
            printf("Server socket path too long: %s", SV_SOCK_PATH);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    
        // 删除所有与路径名一致的既有文件，这样才能将 socket 绑定到这个路径名上
        if (remove(SV_SOCK_PATH) == -1 && errno != ENOENT){
        
            printf("remove-%s", SV_SOCK_PATH);
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    
    
        //为服务器 socket 构建一个地址结构
        memset(&addr, 0, sizeof(struct sockaddr_un));
        addr.sun_family = AF_UNIX;
        strncpy(addr.sun_path, SV_SOCK_PATH, sizeof(addr.sun_path) - 1);
    
        //将 socket 绑定到该地址上
        if (bind(sfd, (struct sockaddr *) &addr, sizeof(struct sockaddr_un)) == -1)
        {
        
            printf("bind");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    
        // 将这个 socket 标记为监听 socket。
        if (listen(sfd, BACKLOG) == -1){
        
            printf("listen");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    
        // 执行一个无限循环来处理进入的客户端请求。每次循环迭代执行下列任务。
        for (;;) {
                  /* Handle client connections iteratively */
    
            /* Accept a connection. The connection is returned on a new
               socket, 'cfd'; the listening socket ('sfd') remains open
               and can be used to accept further connections. */
            // 接受一个连接，为该连接获取一个新 socket cfd。
            cfd = accept(sfd, NULL, NULL);
            if (cfd == -1)
            {
        
                printf("accept");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
    
            /* Transfer data from connected socket to stdout until EOF */
            //从已连接的 socket 中读取所有数据并将这些数据写入到标准输出中。
            while ((numRead = read(cfd, buf, BUF_SIZE)) > 0)
                if (write(STDOUT_FILENO, buf, numRead) != numRead)
                {
        
                    printf("partial/failed write");
                    exit(EXIT_FAILURE);
                }
    
            if (numRead == -1)
            {
        
                printf("read");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
    
            // 关闭已连接的 socket cfd
            if (close(cfd) == -1)
            {
        
                printf("close");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
        }
    }

下面是一个简单的 UNIX domain 流 socket 客户端

int
    main(int argc, char *argv[])
    {
        
        struct sockaddr_un addr;
        int sfd;
        ssize_t numRead;
        char buf[BUF_SIZE];
    
       // 创建一个 socket。
        sfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);      /* Create client socket */
        if (sfd == -1){
        
            perror("socket");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    
        /* Construct server address, and make the connection */
    	// 为服务器 socket 构建一个地址结构并连接到位于该地址处的 socket。
        memset(&addr, 0, sizeof(struct sockaddr_un));
        addr.sun_family = AF_UNIX;
        strncpy(addr.sun_path, SV_SOCK_PATH, sizeof(addr.sun_path) - 1);
    
        if (connect(sfd, (struct sockaddr *) &addr,
                    sizeof(struct sockaddr_un)) == -1)
        {
        
            perror("connect");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    
        /* Copy stdin to socket */
    	//执行一个循环将其标准输入复制到 socket 连接上。当遇到标准输入中的文件结尾时客
        // 户端就终止，其结果是客户端 socket 将会被关闭并且服务器在从连接的另一端的
        // socket 中读取数据时会看到文件结束。
        while ((numRead = read(STDIN_FILENO, buf, BUF_SIZE)) > 0)
            if (write(sfd, buf, numRead) != numRead)
            {
        
                printf("partial/failed write");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
    
        if (numRead == -1)
        {
        
                printf("read");
                exit(EXIT_FAILURE);
            }
    
        exit(EXIT_SUCCESS);         /* Closes our socket; server sees EOF */
    }

使用效果：首先在后台运行服务器。  
![在这里插入图片描述][20210607164557906.png]  
然后创建一个客户端用作输入的测试文件并运行客户端。  
![在这里插入图片描述][20210607164618647.png]  
此刻子进程已经结束了。现在终止服务器并检查服务器的输出是否与客户端的输入匹配。  
![在这里插入图片描述][20210607164633468.png]  
diff 命令没有产生任何输出，表示输入和输出文件是一致的。

注意在服务器终止之后，socket 路径名会继续存在。这就是为何服务器在调用 bind()之前使用 remove()删除 socket 路径名的所有既有实例。

# UNIX domain 中的数据报 socket #

一般来说，使用数据报socket的通信是不可靠的，但这个论断适用于通过网络传输的数据报。对于Unix domin socket来讲，数据报的传输是在内核中发送的，并且也是可靠的，所有的消息都会按照顺序被传递而且也不会发生重复情况

下面是一个简单的 UNIX domain 数据报服务器 程序

// ud_ucase_sv
    
    #include <sys/un.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <ctype.h>
    
    #define BUF_SIZE 10             /* Maximum size of messages exchanged
                                       between client and server */
    
    #define SV_SOCK_PATH "/tmp/ud_ucase"
    
    int main(int argc, char *argv[])
    {
        
        struct sockaddr_un svaddr, claddr;
        int sfd, j;
        ssize_t numBytes;
        socklen_t len;
        char buf[BUF_SIZE];
    
      // 先创建一个 socket
        sfd = socket(AF_UNIX, SOCK_DGRAM, 0);       /* Create server socket */
        if (sfd == -1){
        
            perror("socket");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    
    
        if (strlen(SV_SOCK_PATH) > sizeof(svaddr.sun_path) - 1){
        
             printf("Server socket path too long: %s", SV_SOCK_PATH);
             exit(EXIT_FAILURE);
         }
    
       //服务器先删除了与该地址匹配的路径名，以防出现这个路径名已经存在的情况
        if (remove(SV_SOCK_PATH) == -1 && errno != ENOENT){
        
             printf("remove-%s", SV_SOCK_PATH);
             exit(EXIT_FAILURE);
    	}
    	// 将其绑定到一个众所周知的地址上
        memset(&svaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_un));
        svaddr.sun_family = AF_UNIX;
        strncpy(svaddr.sun_path, SV_SOCK_PATH, sizeof(svaddr.sun_path) - 1);
    
        if (bind(sfd, (struct sockaddr *) &svaddr, sizeof(struct sockaddr_un)) == -1)
        {
        
            printf("bind");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    
        /* Receive messages, convert to uppercase, and return to client */
    
        for (;;) {
        
            len = sizeof(struct sockaddr_un);
            numBytes = recvfrom(sfd, buf, BUF_SIZE, 0,
                                (struct sockaddr *) &claddr, &len);
            if (numBytes == -1) {
        
            	printf("recvfrom");
            	exit(EXIT_FAILURE);
        	}
    
            printf("Server received %ld bytes from %s\n", (long) numBytes,
                    claddr.sun_path);
            /*FIXME: above: should use %zd here, and remove (long) cast */
    
            for (j = 0; j < numBytes; j++)
                buf[j] = toupper((unsigned char) buf[j]);
    
            if (sendto(sfd, buf, numBytes, 0, (struct sockaddr *) &claddr, len) !=
                    numBytes)
               {
        
    				 printf("sendto");
    				 exit(EXIT_FAILURE);
    			}
        }
    }

下面是一个简单的 UNIX domain 数据报客户端

// ud_ucase_cl
    #include <sys/un.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <ctype.h>
    
    #define BUF_SIZE 10             /* Maximum size of messages exchanged between client and server */
    #define SV_SOCK_PATH "/tmp/ud_ucase"
    int
    main(int argc, char *argv[])
    {
        
        struct sockaddr_un svaddr, claddr;
        int sfd, j;
        size_t msgLen;
        ssize_t numBytes;
        char resp[BUF_SIZE];
    
        if (argc < 2 || strcmp(argv[1], "--help") == 0){
        
            printf("%s msg...\n", argv[0]);
            exit(1);
            }
    
        /* Create client socket; bind to unique pathname (based on PID) */
    
        sfd = socket(AF_UNIX, SOCK_DGRAM, 0);
        if (sfd == -1)
        {
        
            perror("socket");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    
        memset(&claddr, 0, sizeof(struct sockaddr_un));
        claddr.sun_family = AF_UNIX;
        snprintf(claddr.sun_path, sizeof(claddr.sun_path),
                "/tmp/ud_ucase_cl.%ld", (long) getpid());
    
        if (bind(sfd, (struct sockaddr *) &claddr, sizeof(struct sockaddr_un)) == -1)
        {
        
            perror("bind");
            exit(EXIT_FAILURE);
        }
    
        /* Construct address of server */
    
        memset(&svaddr, 0, sizeof(struct sockaddr_un));
        svaddr.sun_family = AF_UNIX;
        strncpy(svaddr.sun_path, SV_SOCK_PATH, sizeof(svaddr.sun_path) - 1);
    
        /* Send messages to server; echo responses on stdout */
    
        for (j = 1; j < argc; j++) {
        
            msgLen = strlen(argv[j]);       /* May be longer than BUF_SIZE */
            if (sendto(sfd, argv[j], msgLen, 0, (struct sockaddr *) &svaddr,
                    sizeof(struct sockaddr_un)) != msgLen)
             {
        
    	        perror("sendto");
    	        exit(EXIT_FAILURE);
        	}
    
            numBytes = recvfrom(sfd, resp, BUF_SIZE, 0, NULL, NULL);
            /* Or equivalently: numBytes = recv(sfd, resp, BUF_SIZE, 0);
                            or: numBytes = read(sfd, resp, BUF_SIZE); */
            if (numBytes == -1) {
        
    	        perror("recvfrom");
    	        exit(EXIT_FAILURE);
        	}
            printf("Response %d: %.*s\n", j, (int) numBytes, resp);
        }
    
        remove(claddr.sun_path);            /* Remove client socket pathname */
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }

下面演示了如何使用服务器和客户端程序。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3poaXpoZW5nZ3Vhbg_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
从客户端程序的第二个调用（有意在 recvfrom()调用中指定了一个比消息更小的 length 值），可以看出消息会被静默地截断

# UNIX domain socket 权限 #

socket文件的所有权和权限绝对了哪些进程能够与这个socket进行通信：

*  要连接一个Unix domain流socket需要在该socket文件上拥有写权限
 *  要通过一个Unix domain数据报socket发送一个数据报需要在该 socket 文件上拥有写权限

此外，需要在存放 socket 路径名的所有目录上都拥有执行（搜索）权限。

在默认情况下，创建 socket（通过 bind()）时会给所有者（用户）、组以及 other 用户赋予所有的权限。要改变这种行为可以在调用 bind()之前先调用 umask()来禁用不希望赋予的权限。

# 创建互联 socket 对：socketpair() #

有时候让单个进程创建一对socket并将它们连接起来是比较有用的。这可以通过使用两个socket()调用和一个bind()调用以及对listen()、connect()、accept()（用于流 socket）的调用或对 connect()（用于数据报 socket）的调用来完成。socketpair()系统调用则为这个操作提供了一个快捷方式。具体请参见[socketpair()][socketpair]

# Linux抽象socket名空间 #

所谓的抽象路径名空间是Linux特有的一项特性，它允许将一个Unix domain socket绑定到一个名字上但不会在文件系统中创建该名字。这种做法具备几点优势：

*  无需担心与现有文件系统的既有名字冲突
 *  没有必要再使用完socket之后删除socket路径名。当socket被关闭之后会自动删除这个抽象名
 *  无需为socket创建一个文件系统路径名了。这对于 chroot 环境以及在不具备文件系统上的写权限时是比较有用的

要创建一个抽象绑定就需要将sun\_path字段的第一个字节指定为NULL字节(\\0)。这样就能够将抽象socket名字与传统的Unix domain socket路径名区分开来，因为传统的名字是由一个或者多个非空字节以及终止NULL字节构成的字符串。sun\_path字段的余下字节为socket定义了抽象名字。在解释这个名字时需要用到全部字节，而不是将其看成是一个以 null结尾的字符串。

下面演示了如何创建一个抽象 socket 绑定

// us_abstract_bind
    #include <sys/un.h>
    #include <sys/socket.h>
    int main(int argc, char *argv[])
    {
        
        int sockfd;
        struct sockaddr_un addr;
        char *str;
    
        memset(&addr, 0, sizeof(struct sockaddr_un));  /* Clear address structure */
        addr.sun_family = AF_UNIX;                     /* UNIX domain address */
    
        /* addr.sun_path[0] has already been set to 0 by memset() */
    
        str = "xyz";        /* Abstract name is "\0xyz" */
        strncpy(&addr.sun_path[1], str, strlen(str));
    
        // In early printings of the book, the above two lines were instead:
        //
        // strncpy(&addr.sun_path[1], "xyz", sizeof(addr.sun_path) - 2);
        //            /* Abstract name is "xyz" followed by null bytes */
    
        sockfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
        if (sockfd == -1)
        {
        
    		perror("socket");
    		exit(EXIT_FAILURE);
    	}
    
        if (bind(sockfd, (struct sockaddr *) &addr,
                sizeof(sa_family_t) + strlen(str) + 1) == -1)
        {
        
    		perror("bind");
    		exit(EXIT_FAILURE);
    	}
    
        // In early printings of the book, the final part of the bind() call
        // above was instead:
        //        sizeof(struct sockaddr_un)) == -1)
    
        sleep(60);
    
        exit(EXIT_SUCCESS);
    }

使用一个初始null字节来区分抽象socket名和传统的socket名会带来不同寻常的结果。假设变量name正好指向了一个长度为零的字符串并将一个 UNIX domain socket绑定到一个照下列方式初始化 sun\_path 的名字上。

strncpy(&addr.sun_path, str, strlen(addr.sun_path) - 1);

在 Linux 上，就会在无意中创建了一个抽象 socket 绑定。但这种代码可能并不是期望中的代码（即一个 bug）。在其他 UNIX 实现中，后续的 bind()调用会失败

# 总结 #

Unix domain socket允许位于同一主机上的应用程序之间进行通信。Unix domain支持流和数据报socket

Unix domain socket是通过文件系统中的一个路径来标识的。文件权限可以用来控制对Unix domain socket的访问

socketpair()系统调用创建一对相互连接的Unix domain socket。这样就无需调用多个系统调用来创建、绑定以及连接socket。一个socket对的使用方式通常与管道类似：一个进程创建socket对，然后创建一个其引用socket对的描述符的紫禁城，然后这两个进程就能够通过这个socket对进行通信了。

Linux 特有的抽象 socket 名空间允许将一个 UNIX domain socket 绑定到一个不存在于文件系统中的名字上

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[socketpair]: https://blog.csdn.net/zhizhengguan/article/details/111304554