Bạn còn nhớ FIFO không? Bạn còn nhớ cách chúng chỉ có thể gửi dữ liệu theo một chiều, giống như Pipe không? Sẽ tuyệt không nếu bạn có thể gửi dữ liệu theo cả hai chiều như với socket?
Vâng, đừng lo nữa, vì đây là câu trả lời: Unix Domain Socket! Trong trường hợp bạn vẫn đang tự hỏi socket là gì, vâng, đó là một đường ống giao tiếp hai chiều, có thể được dùng để giao tiếp qua nhiều domain khác nhau. Một trong những domain phổ biến nhất mà socket giao tiếp là Internet, nhưng ta sẽ không bàn đến điều đó ở đây. Tuy nhiên, ta sẽ nói về socket trong domain Unix; tức là, các socket có thể được dùng giữa các tiến trình trên cùng một hệ thống Unix.
Unix socket dùng nhiều lệnh gọi hàm giống như Internet socket, và tôi sẽ không mô tả chi tiết tất cả các lệnh gọi tôi dùng trong tài liệu này. Nếu mô tả về một lệnh gọi cụ thể quá mơ hồ (hoặc nếu bạn chỉ muốn tìm hiểu thêm về Internet socket dù sao), tôi tùy tiện đề xuất Hướng Dẫn Lập Trình Mạng của Beej sử dụng Internet Socket57. Tôi biết tác giả đó rất rõ.
Như tôi đã nói trước đó, Unix socket giống như FIFO hai chiều. Tuy nhiên, tất cả giao tiếp dữ liệu sẽ diễn ra qua giao diện socket, thay vì qua giao diện file. Mặc dù Unix socket là một file đặc biệt trong hệ thống file (giống như FIFO), bạn sẽ không dùng open() và read()—bạn sẽ dùng socket(), bind(), recv(), v.v.
Khi lập trình với socket, bạn thường tạo các chương trình server và client. Server sẽ ngồi lắng nghe các kết nối đến từ client và xử lý chúng. Điều này rất giống với tình huống tồn tại với Internet socket, nhưng có một số khác biệt tinh tế.
Ví dụ, khi mô tả Unix socket nào bạn muốn dùng (tức là đường dẫn đến file đặc biệt là socket), bạn dùng struct sockaddr_un, có các trường sau:
struct sockaddr_un {
unsigned short sun_family; /* AF_UNIX */
char sun_path[108];
}Đây là cấu trúc bạn sẽ truyền vào hàm bind(), hàm liên kết một socket descriptor (một file descriptor) với một file nhất định (tên của file đó nằm trong trường sun_path).
Không đi vào quá nhiều chi tiết, tôi sẽ phác thảo các bước một chương trình server thường phải thực hiện. Trong khi đó, tôi sẽ cố triển khai một “echo server” chỉ đơn giản là echo lại mọi thứ nó nhận được trên socket.
Đây là các bước của server:
Gọi socket(): Một lệnh gọi socket() với các đối số đúng sẽ tạo Unix socket:
unsigned int s, s2;
struct sockaddr_un remote, local = {
.sun_family = AF_UNIX,
// .sun_path = SOCK_PATH, // Can't do assignment to an array
};
int len;
s = socket(_AF_UNIX_, SOCK_STREAM, 0);Đối số thứ hai, SOCK_STREAM, cho socket() biết tạo một stream socket. Vâng, datagram socket (SOCK_DGRAM) được hỗ trợ trong domain Unix, nhưng tôi chỉ đề cập đến stream socket ở đây. Những ai tò mò, hãy xem Hướng Dẫn Lập Trình Mạng của Beej58 để có mô tả tốt về unconnected datagram socket áp dụng hoàn hảo cho Unix socket. Điều duy nhất thay đổi là bạn đang dùng struct sockaddr_un thay vì struct sockaddr_in.
Thêm một lưu ý: tất cả các lệnh gọi này trả về -1 khi lỗi và đặt biến toàn cục errno để phản ánh những gì đã xảy ra. Hãy đảm bảo kiểm tra lỗi.
Gọi bind(): Bạn đã lấy được socket descriptor từ lệnh gọi socket(), bây giờ bạn muốn bind nó vào một địa chỉ trong domain Unix. (Địa chỉ đó, như tôi đã nói trước đây, là một file đặc biệt trên đĩa.)
strcpy(local.sun_path, "/home/beej/mysocket");
unlink(local.sun_path);
len = strlen(local.sun_path) + sizeof(local.sun_family);
bind(s, (struct sockaddr *)&local, len);Lệnh này liên kết socket descriptor “s” với địa chỉ Unix socket “/home/beej/mysocket”. Lưu ý rằng ta đã gọi unlink() trước bind() để xóa socket nếu nó đã tồn tại. Bạn sẽ nhận lỗi EINVAL nếu file đó đã có ở đó.
Gọi listen(): Lệnh này hướng dẫn socket lắng nghe các kết nối đến từ các chương trình client:
listen(s, 5);Đối số thứ hai, 5, là số kết nối đến có thể được xếp hàng đợi trước khi bạn gọi accept() bên dưới. Nếu có nhiều kết nối đang chờ được chấp nhận như vậy, các client thêm sẽ tạo ra lỗi ECONNREFUSED.
Gọi accept(): Lệnh này sẽ chấp nhận một kết nối từ client. Hàm này trả về một socket descriptor khác! Descriptor cũ vẫn đang lắng nghe các kết nối mới, nhưng cái mới này được kết nối với client:
len = sizeof(remote);
s2 = accept(s, &remote, &len);Khi accept() trả về, biến remote sẽ được điền với struct sockaddr_un phía bên kia, và len sẽ được đặt thành độ dài của nó. Descriptor s2 được kết nối với client, và sẵn sàng cho send() và recv(), như được mô tả trong Hướng Dẫn Lập Trình Mạng59.
Xử lý kết nối và quay lại accept(): Thường bạn sẽ muốn giao tiếp với client ở đây (ta chỉ echo lại mọi thứ nó gửi cho ta), đóng kết nối, rồi accept() một cái mới.
while (len = recv(s2, &buf, 100, 0), len > 0)
send(s2, &buf, len, 0);
/* loop back to accept() from here */Đóng kết nối: Bạn có thể đóng kết nối bằng cách gọi close(), hoặc bằng cách gọi shutdown60.
Sau tất cả những điều đó, đây là một số code cho echo server, echos.c61. Tất cả những gì nó làm là chờ kết nối trên một Unix socket (có tên, trong trường hợp này, là “echo_socket”).
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <unistd.h>
#define SOCK_PATH "echo_socket"
int main(void)
{
int s, s2, len;
struct sockaddr_un remote, local = {
.sun_family = AF_UNIX,
// .sun_path = SOCK_PATH, // Can't do assignment to an array
};
char str[100];
if ((s = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
perror("socket");
exit(1);
}
strcpy(local.sun_path, SOCK_PATH);
unlink(local.sun_path);
len = strlen(local.sun_path) + sizeof(local.sun_family);
if (bind(s, (struct sockaddr *)&local, len) == -1) {
perror("bind");
exit(1);
}
if (listen(s, 5) == -1) {
perror("listen");
exit(1);
}
for(;;) {
int done, n;
printf("Waiting for a connection...\n");
socklen_t slen = sizeof(remote);
if ((s2 = accept(s, (struct sockaddr *)&remote, &slen)) == -1) {
perror("accept");
exit(1);
}
printf("Connected.\n");
done = 0;
do {
n = recv(s2, str, sizeof(str), 0);
if (n <= 0) {
if (n < 0) perror("recv");
done = 1;
}
if (!done)
if (send(s2, str, n, 0) < 0) {
perror("send");
done = 1;
}
} while (!done);
close(s2);
}
return 0;
}Như bạn có thể thấy, tất cả các bước đã đề cập ở trên đều có trong chương trình này: gọi socket(), gọi bind(), gọi listen(), gọi accept(), và thực hiện một số send() và recv() trên mạng.
Cần có một chương trình để nói chuyện với server ở trên, phải không? Ngoại trừ với client, nó dễ hơn nhiều vì bạn không phải làm những thứ listen() và accept() phiền phức. Đây là các bước:
Gọi socket() để lấy một Unix domain socket để giao tiếp qua.
Thiết lập một struct sockaddr_un với địa chỉ từ xa (nơi server đang lắng nghe) và gọi connect() với nó như một đối số.
Giả sử không có lỗi, bạn đã kết nối với phía bên kia! Dùng send() và recv() tùy thích!
Thế nào về code để nói chuyện với echo server ở trên? Không vấn đề gì, bạn bè ơi, đây là echoc.c62:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <unistd.h>
#define SOCK_PATH "echo_socket"
int main(void)
{
int s, len;
struct sockaddr_un remote = {
.sun_family = AF_UNIX,
// .sun_path = SOCK_PATH, // Can't do assignment to an array
};
char str[100];
if ((s = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0)) == -1) {
perror("socket");
exit(1);
}
printf("Trying to connect...\n");
strcpy(remote.sun_path, SOCK_PATH);
len = strlen(remote.sun_path) + sizeof(remote.sun_family);
if (connect(s, (struct sockaddr *)&remote, len) == -1) {
perror("connect");
exit(1);
}
printf("Connected.\n");
/* size in fgets() includes the null byte */
while(printf("> "), fgets(str, sizeof(str), stdin), !feof(stdin)) {
if (send(s, str, strlen(str)+1, 0) == -1) {
perror("send");
exit(1);
}
if ((len=recv(s, str, sizeof(str)-1, 0)) > 0) {
str[len] = '\0';
printf("echo> %s", str);
} else {
if (len < 0) perror("recv");
else printf("Server closed connection\n");
exit(1);
}
}
close(s);
return 0;
}Trong code client, tất nhiên bạn sẽ nhận thấy chỉ có một vài syscall được dùng để thiết lập mọi thứ: socket() và connect(). Vì client sẽ không accept() bất kỳ kết nối đến nào, không cần phải listen(). Tất nhiên, client vẫn dùng send() và recv() để truyền dữ liệu. Đó là tóm tắt.
socketpair()—Pipe Full-Duplex NhanhNếu bạn muốn một pipe(), nhưng muốn dùng một pipe duy nhất để gửi và nhận dữ liệu từ cả hai phía? Vì pipe là một chiều (với ngoại lệ trong SYSV), bạn không thể làm được! Tuy nhiên có một giải pháp: dùng Unix domain socket, vì chúng có thể xử lý dữ liệu hai chiều.
Thật phiền phức! Thiết lập tất cả code đó với listen() và connect() và những thứ như vậy chỉ để truyền dữ liệu theo cả hai chiều! Nhưng đoán xem không! Bạn không cần phải làm vậy!
Đúng vậy, có một syscall tuyệt vời được gọi là socketpair(), đủ tốt bụng để trả về cho bạn một cặp socket đã được kết nối sẵn! Không cần thêm công việc nào từ phía bạn; bạn có thể ngay lập tức dùng các socket descriptor này để giao tiếp liên tiến trình.
Ví dụ, hãy thiết lập hai tiến trình. Cái đầu tiên gửi một char đến cái thứ hai, và cái thứ hai chuyển ký tự thành chữ hoa và trả về. Đây là một số code đơn giản để làm chính xác điều đó, được gọi là spair.c63 (không có kiểm tra lỗi để rõ ràng hơn):
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <ctype.h>
#include <errno.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
int main(void)
{
int sv[2]; /* the pair of socket descriptors */
char buf; /* for data exchange between processes */
if (socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, sv) == -1) {
perror("socketpair");
exit(1);
}
if (!fork()) { /* child */
read(sv[1], &buf, 1);
printf("child: read '%c'\n", buf);
buf = toupper(buf); /* make it uppercase */
write(sv[1], &buf, 1);
printf("child: sent '%c'\n", buf);
} else { /* parent */
write(sv[0], "b", 1);
printf("parent: sent 'b'\n");
read(sv[0], &buf, 1);
printf("parent: read '%c'\n", buf);
wait(NULL); /* wait for child to die */
}
return 0;
}Đúng là đây là một cách tốn kém để chuyển ký tự sang chữ hoa, nhưng điều thực sự quan trọng là bạn có giao tiếp đơn giản đang diễn ra ở đây.
Một điều nữa cần lưu ý là socketpair() nhận cả domain (AF_UNIX) và kiểu socket (SOCK_STREAM). Những thứ này có thể là bất kỳ giá trị hợp lệ nào, tùy thuộc vào các thủ tục trong kernel mà bạn muốn xử lý code của mình, và liệu bạn muốn stream hay datagram socket. Tôi chọn socket AF_UNIX vì đây là tài liệu Unix socket và chúng nhanh hơn socket AF_INET một chút, theo tôi nghe.
Cuối cùng, bạn có thể tò mò tại sao tôi dùng write() và read() thay vì send() và recv(). Vâng, tóm lại, tôi đang lười biếng. Bạn thấy, bằng cách dùng các syscall này, tôi không phải nhập đối số flags mà send() và recv() dùng, và tôi luôn đặt nó thành không dù sao. Tất nhiên, socket descriptor chỉ là file descriptor như bất kỳ cái nào khác, vì vậy chúng phản hồi tốt với nhiều syscall thao tác file.