163 Linux C++ 通讯架构实战17，本地套接字整理对比，IPC:pipe，fifo，mmap，信号，本地套

IPC：

Linux环境下，进程地址空间相互独立，每个进程各自有不同的用户地址空间。任何一个进程的全局变量在另一个进程中都看不到，所以进程和进程之间不能相互访问，要交换数据必须通过内核，在内核中开辟一块缓冲区，进程1把数据从用户空间拷到内核缓冲区，进程2再从内核缓冲区把数据读走，内核提供的这种机制称为进程间通信（IPC，InterProcess Communication）。

IPC 技术有如下几种：pipe，fifo，mmap，信号，本地套

pipe：血缘关系的进程之间，完成数据传递

int pipe(int pipefd[2]);

函数调用成功返回r/w两个文件描述符。无需open，但需手动close。

规定：fd[0] → r； fd[1] → w，就像0对应标准输入，1对应标准输出一样。

fifo：可以用于无血缘进程间的通讯

int mkfifo(const char *pathname, mode_t mode); 成功：0；失败：-1

一旦使用mkfifo创建了一个FIFO，就可以使用open打开它，常见的文件I/O函数都可用于fifo。如：close、read、write、unlink等。

mmap 使用共享存储映射重点，效率高

void *mmap(void *adrr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

mmap 的替换方案，匿名映射

int *p = mmap(NULL, 4, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

"4"随意举例，该位置表大小，可依实际需要填写。

本地套(C/S 模型)

ocket 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UNIXDomain 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。

对比网络套接字地址结构和本地套接字地址结构：

struct sockaddr_in {

__kernel_sa_family_t sin_family; /* Address family */ 地址结构类型

__be16 sin_port; /* Port number */ 端口号

struct in_addr sin_addr; /* Internet address */ IP地址

};

struct sockaddr_un {

__kernel_sa_family_t sun_family; /* AF_UNIX */ 地址结构类型

char sun_path[UNIX_PATH_MAX]; /* pathname */ socket文件名(含路径)

};

以下程序将UNIX Domain socket绑定到一个地址。

	size = offsetof(struct sockaddr_un, sun_path) + strlen(un.sun_path);
	#define offsetof(type, member) ((int)&((type *)0)->MEMBER)

server代码

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <stddef.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <unistd.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);
	/* in case it already exists */
	unlink(name); 			

	/* 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);
}
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 */
	/* we're done with pathname now */
	unlink(un.sun_path); 
	return(clifd);

errout:
	err = errno;
	close(clifd);
	errno = err;
	return(rval);
}
int main(void)
{
	int lfd, cfd, n, i;
	uid_t cuid;
	char buf[1024];
	lfd = serv_listen("foo.socket");

	if (lfd < 0) {
		switch (lfd) {
			case -3:perror("listen"); break;
			case -2:perror("bind"); break;
			case -1:perror("socket"); break;
		}
		exit(-1);
	}
	cfd = serv_accept(lfd, &cuid);
	if (cfd < 0) {
		switch (cfd) {
			case -3:perror("not a socket"); break;
			case -2:perror("a bad filename"); break;
			case -1:perror("accept"); break;
		}
		exit(-1);
	}
	while (1) {
r_again:
		n = read(cfd, buf, 1024);
		if (n == -1) {
		if (errno == EINTR)
		goto r_again;
	}
	else if (n == 0) {
		printf("the other side has been closed.\n");
		break;
	}
	for (i = 0; i < n; i++)
		buf[i] = toupper(buf[i]);
		write(cfd, buf, n);
	}
	close(cfd);
	close(lfd);
	return 0;
}

client代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stddef.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.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);

	/* in case it already exists */
	unlink(un.sun_path); 
	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);
}
int main(void)
{
	int fd, n;
	char buf[1024];

	fd = cli_conn("foo.socket");
	if (fd < 0) {
		switch (fd) {
			case -4:perror("connect"); break;
			case -3:perror("listen"); break;
			case -2:perror("bind"); break;
			case -1:perror("socket"); break;
		}
		exit(-1);
	}
	while (fgets(buf, sizeof(buf), stdin) != NULL) {
		write(fd, buf, strlen(buf));
		n = read(fd, buf, sizeof(buf));
		write(STDOUT_FILENO, buf, n);
	}
	close(fd);
	return 0;
}

对比网络编程

广播

当我们绑定的IP地址的最后一位是255时，表示这是一个广播

192.168.31.255

类似这样的需求，局域网内，老师上课，下面的同学每个人都有一个电脑，可以显示老师屏幕上的东西，实际上大部分都用的UDP，和广播实现的。

server

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/socket.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <net/if.h>

#define SERVER_PORT 8000                                    /* 无关紧要 */
#define MAXLINE 1500

#define BROADCAST_IP "192.168.42.255"
#define CLIENT_PORT 9000                                    /* 重要 */

int main(void)
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_in serveraddr, clientaddr;
    char buf[MAXLINE];

    /* 构造用于UDP通信的套接字 */
    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));
    serveraddr.sin_family = AF_INET;                        /* IPv4 */
    serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);         /* 本地任意IP INADDR_ANY = 0 */
    serveraddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);

    bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));

    int flag = 1;
    setsockopt(sockfd, SOL_SOCKET, SO_BROADCAST, &flag, sizeof(flag));

    /*构造 client 地址 IP+端口  192.168.7.255+9000 */
    bzero(&clientaddr, sizeof(clientaddr));
    clientaddr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, BROADCAST_IP, &clientaddr.sin_addr.s_addr);
    clientaddr.sin_port = htons(CLIENT_PORT);

    int i = 0;
    while (1) {
        sprintf(buf, "Drink %d glasses of water\n", i++);
        //fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
        sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&clientaddr, sizeof(clientaddr));
        sleep(1);
    }
    close(sockfd);
    return 0;
}

client

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <arpa/inet.h>

#define SERVER_PORT 8000
#define MAXLINE 4096
#define CLIENT_PORT 9000

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct sockaddr_in localaddr;
    int confd;
    ssize_t len;
    char buf[MAXLINE];

    //1.创建一个socket
    confd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    //2.初始化本地端地址
    bzero(&localaddr, sizeof(localaddr));
    localaddr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0" , &localaddr.sin_addr.s_addr);
    localaddr.sin_port = htons(CLIENT_PORT);

    int ret = bind(confd, (struct sockaddr *)&localaddr, sizeof(localaddr));  //显示绑定不能省略
    if (ret == 0)
        printf("...bind ok...\n");

    while (1) {
        len = recvfrom(confd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, 0);
        write(STDOUT_FILENO, buf, len);
    }
    close(confd);

    return 0;
}

组播

这是相对于广播来说的一个概念，广播是对所有的，组播是一部分

组播组可以是永久的也可以是临时的。组播组地址中，有一部分由官方分配的，称为永久组播组。永久组播组保持不变的是它的ip地址，组中的成员构成可以发生变化。永久组播组中成员的数量都可以是任意的，甚至可以为零。那些没有保留下来供永久组播组使用的ip组播地址，可以被临时组播组利用。

224.0.0.0～224.0.0.255 为预留的组播地址（永久组地址），地址224.0.0.0保留不做分配，其它地址供路由协议使用；

224.0.1.0～224.0.1.255 是公用组播地址，可以用于Internet；欲使用需申请。

224.0.2.0～238.255.255.255 为用户可用的组播地址（临时组地址），全网范围内有效；

239.0.0.0～239.255.255.255 为本地管理组播地址，仅在特定的本地范围内有效。

可使用ip ad命令查看网卡编号，如：

itcast$ ip ad

1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN group default

link/loopback 00:00:00:00:00:00 brd 00:00:00:00:00:00

inet 127.0.0.1/8 scope host lo

valid_lft forever preferred_lft forever

inet6 ::1/128 scope host

valid_lft forever preferred_lft forever

2: eth0: <NO-CARRIER,BROADCAST,MULTICAST,UP> mtu 1500 qdisc pfifo_fast state DOWN group default qlen 1000

link/ether 00:0c:29:0a:c4:f4 brd ff:ff:ff:ff:ff:ff

inet6 fe80::20c:29ff:fe0a:c4f4/64 scope link

valid_lft forever preferred_lft forever

if_nametoindex 命令可以根据网卡名，获取网卡序号。

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

server：获取组播权限。

setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_IF, &group, sizeof(group));

client：将本客户端加入组播。

setsockopt(confd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &group, sizeof(group));

int setsockopt(int sockfd, int level, int optname, const void *optval, socklen_t optlen);

server

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <net/if.h>

#define SERVER_PORT 8000
#define CLIENT_PORT 9000
#define MAXLINE 1500

#define GROUP "239.0.0.2"

int main(void)
{
    int sockfd;
    struct sockaddr_in serveraddr, clientaddr;
    char buf[MAXLINE] = "itcast\n";
    struct ip_mreqn group;

    sockfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);                /* 构造用于UDP通信的套接字 */
    
    bzero(&serveraddr, sizeof(serveraddr));
    serveraddr.sin_family = AF_INET;                        /* IPv4 */
    serveraddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);         /* 本地任意IP INADDR_ANY = 0 */
    serveraddr.sin_port = htons(SERVER_PORT);

    bind(sockfd, (struct sockaddr *)&serveraddr, sizeof(serveraddr));

    inet_pton(AF_INET, GROUP, &group.imr_multiaddr);        /* 设置组地址 */
    inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &group.imr_address);      /* 本地任意IP */
    group.imr_ifindex = if_nametoindex("eth0");             /* 给出网卡名,转换为对应编号: eth0 --> 编号  命令:ip ad */

    setsockopt(sockfd, IPPROTO_IP, IP_MULTICAST_IF, &group, sizeof(group));  /* 组播权限 */

    bzero(&clientaddr, sizeof(clientaddr));                 /* 构造 client 地址 IP+端口 */
    clientaddr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, GROUP, &clientaddr.sin_addr.s_addr); /* IPv4  239.0.0.2+9000 */
    clientaddr.sin_port = htons(CLIENT_PORT);

    int i = 0;
    while (1) {
        sprintf(buf, "itcast %d\n", i++);
        //fgets(buf, sizeof(buf), stdin);
        sendto(sockfd, buf, strlen(buf), 0, (struct sockaddr *)&clientaddr, sizeof(clientaddr));
        sleep(1);
    }

    close(sockfd);

    return 0;
}

client

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <net/if.h>

#define SERVER_PORT 8000
#define CLIENT_PORT 9000

#define GROUP "239.0.0.2"

int main(int argc, char *argv[])
{
    struct sockaddr_in localaddr;
    int confd;
    ssize_t len;
    char buf[BUFSIZ];

    struct ip_mreqn group;                                                  /* 组播结构体 */

    confd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    bzero(&localaddr, sizeof(localaddr));                                   /* 初始化 */
    localaddr.sin_family = AF_INET;
    inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0" , &localaddr.sin_addr.s_addr);
    localaddr.sin_port = htons(CLIENT_PORT);

    bind(confd, (struct sockaddr *)&localaddr, sizeof(localaddr));

    inet_pton(AF_INET, GROUP, &group.imr_multiaddr);                        /* 设置组地址 */
    inet_pton(AF_INET, "0.0.0.0", &group.imr_address);                      /* 使用本地任意IP添加到组播组 */
    group.imr_ifindex = if_nametoindex("eth0");                             /* 通过网卡名-->编号 ip ad */
    
    setsockopt(confd, IPPROTO_IP, IP_ADD_MEMBERSHIP, &group, sizeof(group));/* 设置client 加入多播组 */

    while (1) {
        len = recvfrom(confd, buf, sizeof(buf), 0, NULL, 0);
        write(STDOUT_FILENO, buf, len);
    }
    close(confd);

    return 0;
}