• linux一切皆文件之Unix domain socket描述符(二)


    一、知识准备

    1、在linux中,一切皆为文件,所有不同种类的类型都被抽象成文件(比如:块设备,socket套接字,pipe队列)
    2、操作这些不同的类型就像操作文件一样,比如增删改查等
    3、主要用于:运行在同一台机器上的2个进程相互之间的数据通信
    4、它们和网络文件描述符非常相似(比如:TCP socket),他们的通信发生在操作系统内核


    二、环境准备

    组件 版本
    OS CentOS Linux release 7.5.1804

    三、Unix domain socket 文件描述符

    先准备2个脚本:
    server.py主要用于建立客户端的连接请求,并且接收客户端传来的数据,然后将收到的数据回传给客户端
    client.py每隔1秒向服务端发送一次'hello world'

    server.py:

    import socket
    
    server_addr = '/tmp/server.sock'
    
    sock = socket.socket(socket.AF_UNIX, socket.SOCK_STREAM)
    sock.bind(server_addr)
    sock.listen(0)
    
    while True:
        conn, clientAddr = sock.accept()
        while True:
            data = conn.recv(100)
            conn.sendall(data)
    

    client.py:

    import socket
    import time
    
    server_addr = '/tmp/server.sock'
    
    sock = socket.socket(socket.AF_UNIX, socket.SOCK_STREAM)
    sock.connect(server_addr)
    
    while True:
        message = 'hello world!'
        sock.sendall(message)
        sock.recv(100)
        time.sleep(1)
    
    sock.close()
    

    先看下server.py的状态:

    [root@localhost ~]# python /tmp/server.py &
    [1] 2554
    [root@localhost ~]# ls -l /proc/2554/fd
    total 0
    lrwx------ 1 root root 64 Nov  5 02:39 0 -> /dev/pts/0
    lrwx------ 1 root root 64 Nov  5 02:39 1 -> /dev/pts/0
    lrwx------ 1 root root 64 Nov  5 02:39 2 -> /dev/pts/0
    lrwx------ 1 root root 64 Nov  5 02:39 3 -> socket:[28724]
    [root@localhost ~]# grep 28724 /proc/net/unix
    ffff90d8ba564000: 00000002 00000000 00010000 0001 01 28724 /tmp/server.sock
    [root@localhost ~]# lsof -n | grep 28724
    python    2554         root    3u     unix 0xffff90d8ba564000       0t0      28724 /tmp/server.sock
    [root@localhost ~]# netstat -anp | grep 28724
    unix  2      [ ACC ]     STREAM     LISTENING     28724    2554/python         /tmp/server.sock
    
    

    进程2554创建了打开了unix domain socket描述符(3 -> socket:[19803]),并且通过该描述符,打开了/tmp/server.sock文件,其主要作用是用于监听

    我们运行client.py并观察状态

    [root@localhost ~]# python /tmp/client.py &
    [2] 2555
    [root@localhost ~]# ls -l /proc/2555/fd
    total 0
    lrwx------ 1 root root 64 Nov  5 02:39 0 -> /dev/pts/0
    lrwx------ 1 root root 64 Nov  5 02:39 1 -> /dev/pts/0
    lrwx------ 1 root root 64 Nov  5 02:39 2 -> /dev/pts/0
    lrwx------ 1 root root 64 Nov  5 02:39 3 -> socket:[28728]
    [root@localhost ~]# grep 28728 /proc/net/unix
    ffff90d8b95b0400: 00000003 00000000 00000000 0001 03 28728
    [root@localhost ~]# lsof -n | grep 28728
    python    2555         root    3u     unix 0xffff90d8b95b0400       0t0      28728 socket
    

    与server.py的行为差不多。client.py也创建了unix domain socket描述符3 -> socket:[28728],通过socket:[18974],找到一条socket

    查看server.py发生的变化:

    [root@localhost ~]# ls -l /proc/2554/fd
    total 0
    lrwx------ 1 root root 64 Nov  5 02:39 0 -> /dev/pts/0
    lrwx------ 1 root root 64 Nov  5 02:39 1 -> /dev/pts/0
    lrwx------ 1 root root 64 Nov  5 02:39 2 -> /dev/pts/0
    lrwx------ 1 root root 64 Nov  5 02:39 3 -> socket:[28724]
    lrwx------ 1 root root 64 Nov  5 02:39 4 -> socket:[28725]
    

    server.py新增了一个4 -> socket:[28725],这是刚才client.py连接成功之后server.py新打开的描述符

    [root@localhost ~]# lsof -n | grep -E '28728|28724|28725'
    python    2554         root    3u     unix 0xffff90d8ba564000       0t0      28724 /tmp/server.sock
    python    2554         root    4u     unix 0xffff90d8b95b0000       0t0      28725 /tmp/server.sock
    python    2555         root    3u     unix 0xffff90d8b95b0400       0t0      28728 socket
    [root@localhost ~]# netstat -anp | grep unix | grep -E '28728|28724|28725'
    unix  2      [ ACC ]     STREAM     LISTENING     28724    2554/python          /tmp/server.sock
    unix  3      [ ]         STREAM     CONNECTED     28725    2554/python          /tmp/server.sock
    unix  3      [ ]         STREAM     CONNECTED     28728    2555/python
    

    到目前为止,整个unix domain socket的通信过程已经比较清晰的展现了:
    ● server.py启动之后,打开监听的描述符,等待来自客户端的连接请求
    ● client.py启动之后,与server连接成功,打开一个描述符用于与server.py通信
    ● server.py会再打开一个描述符用于与client.py进行数据通信

    但是目前还有2个问题:
    (1)/tmp/server.sock到底作用是什么
    (2)server与client是怎么进行数据通信的

    问题(1)

    ● /tmp/server.sock是操作系统的实体文件,拥有一个全局的文件系统描述符,这个描述符在操作系统中是唯一的
    ● server.py启动时打开了server.sock,就声名了与server.py建立连接就只能通过server.sock文件
    ● 这就相当于TCP socket中四元组中的两元(server_ip:server_port

    问题(2)

    我们来使用strace命令看看server.py的内核调用

    [root@localhost tmp]# strace -p 2554
    strace: Process 2554 attached
    recvfrom(4, "hello world!", 100, 0, NULL, NULL) = 12
    sendto(4, "hello world!", 12, 0, NULL, 0) = 12
    recvfrom(4, "hello world!", 100, 0, NULL, NULL) = 12
    sendto(4, "hello world!", 12, 0, NULL, 0) = 12
    

    recvfrom(4, "hello world!", 100, 0, NULL, NULL) = 12
    sendto(4, "hello world!", 12, 0, NULL, 0) = 12
    server.py在接收客户端数据的时候,使用了 4 -> socket:[28725]这个文件描述符

    再看client.py的内核调用

    [root@localhost tmp]# strace -p 2555
    strace: Process 2555 attached
    select(0, NULL, NULL, NULL, {0, 996991}) = 0 (Timeout)
    sendto(3, "hello world!", 12, 0, NULL, 0) = 12
    recvfrom(3, "hello world!", 100, 0, NULL, NULL) = 12
    select(0, NULL, NULL, NULL, {1, 0})     = 0 (Timeout)
    sendto(3, "hello world!", 12, 0, NULL, 0) = 12
    

    recvfrom(3, "hello world!", 100, 0, NULL, NULL) = 12
    sendto(3, "hello world!", 12, 0, NULL, 0) = 12
    client.py在与server.py通信的时候使用了 3 -> socket:[28728]

    结论:
    ● server.py与client.py连接建立成功之后,都会各自在自己的进程下打开unix domain socket描述符,该描述符来指向对应的socket内存空间(下面简称s_mem
    ● client.py通过3 -> socket:[28728],找到s_mem,然后写入数据hello world!
    ● server.py通过4 -> socket:[28725],找到s_mem,读取数据hello world!,并且原封不动的发送这串数据给client.py
    ● client.py通过读取s_mem,获取从server.py传来的数据
    ● 循环往复

               client.py                         server.py
               +---------------+                 +---------------+
               |pid:2555       |                 |pid:2554       |
               |    +-----+    |                 |    +-----+    |
               |    |fd:3 |    |                 |    |fd:4 |    |
               |    +-----+    |                 |    +-----+    |
               +---------------+                 +---------------+
                       |                                 |
    user space         |                                 |
    +---------------------------------------------------------------------+
    kernel space       |                                 |
                       |                                 |
                       v                                 v
                +--------------+                  +--------------+
                |socket:[28728]|                  |socket:[28725]|
                +------+-------+                  +------+-------+
                       |                                 |
                       |                                 |
                       v                                 v
                     +------------------------------------+
                     |              socket                |
                     +------------------------------------+
    
    

    四、小结

    ● /tmp/server.sock作为建立unix domain socket连接的唯一标识符
    ● unix domain socket连接建立完成之后在内存开辟一块空间,而server与client在这块内存空间中进行数据传输
    ● 在同一台机器上的进程通信,unix domain socket比tcp socket更快,因为它不需要网络协议栈,不需要打包拆包、计算校验和、维护序号和应答等等过程


    五、参考资料

    https://en.wikipedia.org/wiki/Unix_domain_socket



    至此,本文结束
    在下才疏学浅,有撒汤漏水的,请各位不吝赐教...

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