Linux网络编程 -- socketpair的使用

刺骨的言语ヽ痛彻心扉 2022-08-20 08:25 109阅读 0赞

## socketpair的使用 ##

Linux实现了一个源自BSD的`socketpair`调用，可以实现在同一个文件描述符中进行读写的功能。  
该系统调用能创建一对已连接的UNIX族socket。  
在Linux中，完全可以把这一对socket当成pipe返回的文件描述符一样使用，唯一的区别就是这一对文件描述符中的任何一个都可读和可写，函数原型如下：

#include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h>
    
    int socketpair(int domain, int type, int protocol, int sv[2]);

`socketpair()`函数建立一对匿名的已经连接的套接字，其特性由协议族d、类型type、协议protocol决定，建立的两个套接字描述符会放在sv\[0\]和sv\[1\]中。

**socketpair函数参数说明**：  
第1个参数`domain`，表示协议族，只能为`AF_LOCAL`或者`AF_UNIX`。  
第2个参数`type`，表示协议，可以是`SOCK_STREAM`或者`SOCK_DGRAM`。用`SOCK_STREAM`建立的套接字对是管道流，与一般的管道相区别的是，**套接字对建立的通道是双向的，即每一端都可以进行读写**。  
第3个参数`protocol`，表示类型，只能为0。  
第4个参数sv\[2\]是接收代表两个套接口的整数数组。**每一个文件描述符代表一个套接口，并且与另一个并没有区别**。

**函数返回值**：  
如果函数成功，将会返回0值。否则将会返回-1表明创建失败，并且errno来表明特定的错误号。

以下给出个简单的例子，通过`socketpair`实现父子间进程通信：

/*socketpair1.c*/
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main ()
    {
        int fd[2];
        int r = socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, fd);
        if (r < 0){
            perror( "socketpair()" );
            exit(1);
        }
    
        if (fork()){ /* 父进程 */
            int val = 0;
            close(fd[1]);
            while (1){
                sleep(1);
                ++val;
                printf("发送数据: %d\n", val);
                write(fd[0], &val, sizeof(val));
                read(fd[0], &val, sizeof(val));
                printf("接收数据: %d\n", val);
            }
        }else{  /*子进程*/
            int val;
            close(fd[0]);
            while(1){
                read(fd[1], &val, sizeof(val));
                ++val;
                write(fd[1], &val, sizeof(val));
            }
        }
    }

执行结果：

yu@ubuntu:~/Linux/217/pro_pool/socketpair$ vi socketpair1.c
    yu@ubuntu:~/Linux/217/pro_pool/socketpair$ gcc -o socketpair1 socketpair1.c
    yu@ubuntu:~/Linux/217/pro_pool/socketpair$ ./socketpair1
    发送数据: 1
    接收数据: 2
    发送数据: 3
    接收数据: 4
    发送数据: 5
    接收数据: 6
    ...

分析程序：一开始由`socketpair`创建一个套接字对，父进程关闭fd\[1\]，子进程关闭fd\[0\]，父进程`sleep(1)`让子进程先执行，子进程`read(fd[1], &val, sizeof(val))`阻塞，然后父进程`write(fd[0]..)`发送数据，子进程接收数据处理后再发送给父进程数据`write(fd[1]..)`，父进程读取数据，打印输出。（**注意:socketpair产生的套接字对实现全双工通信**）

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## sendmsg, recvmsg , send函数的使用 ##

**sendmsg, recvmsg , send**三个函数的头文件：

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

**sendmsg函数**  
定义函数

int sendmsg(int s, const strcut msghdr *msg, unsigned int flags);

函数说明：sendmsg()用来将数据由指定的socket传给对方主机.  
参数s：为已建立好连线的socket, 如果利用UDP协议则不需经过连线操作.  
参数msg：指向欲连线的数据结构内容, 参数flags 一般默认为0, 详细描述请参考send().  
返回值：成功返回发送的字节数，出错返回-1

**recvmsg函数**  
定义函数

int recvmsg(int s, struct msghdr *msg, unsigned int flags);

函数说明：recvmsg()用来接收远程主机经指定的socket 传来的数据.  
参数s 为已建立好连线的socket, 如果利用UDP 协议则不需经过连线操作.  
参数msg 指向欲连线的数据结构内容,  
参数flags 一般设0, 详细描述请参考send().  
返回值：成功则返回接收到的字符数, 失败则返回-1, 错误原因存于errno 中.

**send函数**  
定义函数：int send(int s, const void \* msg, int len, unsigned int falgs);  
函数说明：send()用来将数据由指定的socket 传给对方主机.  
参数s 为已建立好连接的socket.  
参数msg 指向欲连线的数据内容.  
参数len 则为数据长度.  
参数flags 一般设0, 其他数值定义如下：  
MSG\_OOB 传送的数据以out-of-band 送出.  
MSG\_DONTROUTE 取消路由表查询  
MSG\_DONTWAIT 设置为不可阻断运作  
MSG\_NOSIGNAL 此动作不愿被SIGPIPE 信号中断.  
返回值：成功则返回实际传送出去的字符数, 失败返回-1. 错误原因存于errno.

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结构**`msghdr`**定义如下：

struct msghdr
    {
        void *msg_name; //发送或接收数据的地址
        socklen_t msg_namelen; //地址长度
        strcut iovec * msg_iov; //要发送或接受数据
        size_t msg_iovlen; //容器数据长度
        void * msg_control; //附属数据
        size_t msg_controllen; //附属数据长度
        int msg_flags; //接收消息的标志
    };

返回值：成功则返回实际传送出去的字符数, 失败返回-1, 错误原因存于errno  
错误代码：

1、EBADF 参数s 非合法的socket 处理代码.
    2、EFAULT 参数中有一指针指向无法存取的内存空间
    3、ENOTSOCK 参数s 为一文件描述词, 非socket.
    4、EINTR 被信号所中断.
    5、EAGAIN 此操作会令进程阻断, 但参数s 的socket 为不可阻断.
    6、ENOBUFS 系统的缓冲内存不足
    7、ENOMEM 核心内存不足 EINVAL 传给系统调用的参数不正确.

附属数据**`msg_control`**结构  
控制信息头部本身由下面的C结构定义：

struct cmsghdr {
        socklen_t cmsg_len;
        int       cmsg_level;
        int       cmsg_type;
    /* u_char     cmsg_data[]; */
    };

其成员描述如下：

成员             描述
    cmsg_len        附属数据的字节计数，这包含结构头的尺寸。这个值是由CMSG_LEN()宏计算的。
    cmsg_level      这个值表明了原始的协议级别(例如，SOL_SOCKET)。
    cmsg_type       这个值表明了控制信息类型(例如，SCM_RIGHTS)。
    cmsg_data       这个成员并不实际存在，用来指明实际的额外附属数据所在的位置。

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**用sendmsg来传递数据程序实例**

/*sendmsg.c*/
    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <unistd.h>
    #include <errno.h>
    #include <string.h>
    #include <sys/types.h>
    #include <sys/socket.h>
    
    int main(int argc,char *argv[])
    {
        int ret;     /* 返回值 */
        int sock[2];    /* 套接字对 */
        struct msghdr msg;
        struct iovec iov[1];
        char send_buf[100] = "it is a test";
        struct msghdr msgr;
        struct iovec iovr[1];
        char recv_buf[100];
    
        /* 创建套接字对 */
        ret = socketpair(AF_LOCAL,SOCK_STREAM,0,sock);
        if(ret == -1){
            printf("socketpair err\n");
            return 1;   
        }
    
        /* sock[1]发送数据到本地主机  */
        bzero(&msg, sizeof(msg));
        msg.msg_name = NULL;        /* void*类型 NULL本地地址*/
        msg.msg_namelen = 0;
        iov[0].iov_base = send_buf;
        iov[0].iov_len = sizeof(send_buf);
        msg.msg_iov = iov;//要发送或接受数据设为iov
        msg.msg_iovlen = 1;//1个元素
    
        printf("开始发送数据：\n");
        printf("发送的数据为: %s\n", send_buf);
        ret = sendmsg(sock[1], &msg, 0 );
        if(ret == -1 ){
            printf("sendmsg err\n");
            return -1;
        }
        printf("发送成功！\n");
    
        /* 通过sock[0]接收发送过来的数据 */
        bzero(&msg, sizeof(msg));
        msgr.msg_name = NULL;   
        msgr.msg_namelen = 0;
        iovr[0].iov_base = &recv_buf;
        iovr[0].iov_len = sizeof(recv_buf);
        msgr.msg_iov = iovr;
        msgr.msg_iovlen = 1;
        ret = recvmsg(sock[0], &msgr, 0);
        if(ret == -1 ){
            printf("recvmsg err\n");
            return -1;
        }
        printf("接收成功!\n");
        printf("收到数据为: %s\n", recv_buf);
    
        /* 关闭sockets */
        close(sock[0]);
        close(sock[1]);
    
        return 0;
    }

执行程序结果：

yu@ubuntu:~/Linux/217/pro_pool/socketpair$ gcc -o sendmsg sendmsg.c
    yu@ubuntu:~/Linux/217/pro_pool/socketpair$ ./sendmsg
    开始发送数据：
    发送的数据为: it is a test
    发送成功！
    接收成功!
    收到数据为: it is a test

程序分析：由套接字sock\[1\]发数据到本地主机，由套接字sock\[0\]接收发送过来的数据。