UNIX socket概念

UNIX Socket（也稱(chēng)為本地套接字或IPC套接字）是一種在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行進(jìn)程間通信（IPC）的機(jī)制。它提供了一種可靠而高效的方式，使不同進(jìn)程之間能夠直接交換數(shù)據(jù)。UNIX Socket基于文件系統(tǒng)的抽象概念，使用一個(gè)特殊的文件來(lái)表示套接字。與網(wǎng)絡(luò)套接字不同，UNIX Socket僅限于同一主機(jī)上的進(jìn)程間通信，不涉及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的使用。

UNIX socket特點(diǎn)

同步和異步通信

UNIX Socket允許進(jìn)程進(jìn)行同步或異步通信。對(duì)于同步通信，發(fā)送進(jìn)程會(huì)阻塞直到接收進(jìn)程接收到數(shù)據(jù)；對(duì)于異步通信，發(fā)送進(jìn)程可以繼續(xù)執(zhí)行其他任務(wù)而不需要等待接收進(jìn)程響應(yīng)。

全雙工通信

UNIX Socket允許進(jìn)程在同一個(gè)套接字上進(jìn)行雙向通信，既可以發(fā)送數(shù)據(jù)也可以接收數(shù)據(jù)。

面向字節(jié)流

UNIX Socket以字節(jié)流的形式傳輸數(shù)據(jù)，不關(guān)心數(shù)據(jù)的消息邊界。這意味著發(fā)送的數(shù)據(jù)可以分割成多個(gè)部分，也可以將多個(gè)消息組合成一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)塊。

高性能

由于UNIX Socket只涉及本地通信，沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)，因此它通常比網(wǎng)絡(luò)套接字更高效。

UNIX socket優(yōu)勢(shì)

由于UNIX Socket 使用套接字的概念，類(lèi)似于網(wǎng)絡(luò)套接字，但其使用的是文件系統(tǒng)路徑而不是IP地址和端口號(hào)。 UNIX Socket 具有以下優(yōu)點(diǎn)：

• 可靠性：UNIX Socket 提供可靠的進(jìn)程間通信機(jī)制，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中會(huì)進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)和重傳，確保數(shù)據(jù)的完整性和可靠性。
• 高效性：UNIX Socket 是基于內(nèi)核的通信機(jī)制，數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中減少了不必要的數(shù)據(jù)拷貝，使得數(shù)據(jù)傳輸更加高效。
• 低延遲：由于 UNIX Socket 在內(nèi)核層面實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸不需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，因此具有較低的延遲。
• 安全性：UNIX Socket 基于文件系統(tǒng)路徑進(jìn)行通信，只有相應(yīng)權(quán)限的進(jìn)程才能進(jìn)行通信，增強(qiáng)了通信的安全性。
• 靈活性：UNIX Socket 可以在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上的不同進(jìn)程之間進(jìn)行通信，使得進(jìn)程間的交互更加靈活。
• 支持多種編程語(yǔ)言：UNIX Socket 可以在多種編程語(yǔ)言中使用，如C/C++、Python等，使得不同語(yǔ)言的進(jìn)程之間可以進(jìn)行通信。
• 跨平臺(tái)兼容性：盡管名字中包含 UNIX，但 UNIX Socket 在許多操作系統(tǒng)上都有支持，包括 Linux、macOS 等。

UNIX Socket適用場(chǎng)景

UNIX Socket可以在不同編程語(yǔ)言中使用，并且廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)景，例如：

• 進(jìn)程間通信（IPC）：不同進(jìn)程之間通過(guò)UNIX Socket進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，例如父子進(jìn)程、無(wú)關(guān)進(jìn)程或者共享內(nèi)存的進(jìn)程之間。
• 本地服務(wù)器和客戶(hù)端：UNIX Socket可用于構(gòu)建本地服務(wù)器，接受來(lái)自客戶(hù)端的連接請(qǐng)求并提供服務(wù)。
• 網(wǎng)絡(luò)編程的模擬和測(cè)試：在本地開(kāi)發(fā)環(huán)境中，使用UNIX Socket可以模擬網(wǎng)絡(luò)連接，方便進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試。
• 守護(hù)進(jìn)程和系統(tǒng)服務(wù)：UNIX Socket作為進(jìn)程間通信的一種方式，可用于實(shí)現(xiàn)守護(hù)進(jìn)程和系統(tǒng)服務(wù)之間的通信。

UNIX Socket 步驟

創(chuàng)建 Socket：

• 使用 `socket()` 函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)套接字，指定協(xié)議組、類(lèi)型和協(xié)議。
• 常見(jiàn)的協(xié)議族有 `AF_UNIX`（用于 UNIX 域套接字）和 `AF_INET`（用于網(wǎng)絡(luò)套接字）。
• 常見(jiàn)的類(lèi)型有 `SOCK_STREAM`（用于可靠的面向連接的通信）和 `SOCK_DGRAM`（用于無(wú)連接的通信）。

綁定 Socket 到地址：

• 對(duì)于 UNIX 域套接字，使用 `bind()` 函數(shù)將套接字綁定到一個(gè)文件路徑。
• 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)套接字，使用 `bind()` 函數(shù)將套接字綁定到一個(gè) IP 地址和端口號(hào)。

 監(jiān)聽(tīng)連接請(qǐng)求（對(duì)于面向連接型套接字）：

• 對(duì)于 UNIX 域套接字，使用 `listen()` 函數(shù)開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)連接請(qǐng)求。
• 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)套接字，使用 `listen()` 函數(shù)并指定最大等待連接數(shù)量。

接受連接請(qǐng)求（對(duì)于面向連接型套接字）：

• 使用 `accept()` 函數(shù)接受客戶(hù)端的連接請(qǐng)求，并創(chuàng)建一個(gè)新的套接字用于與客戶(hù)端進(jìn)行通信。

進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸：

• 對(duì)于面向連接型套接字，使用 `send()` 和 `recv()` 函數(shù)在客戶(hù)端和服務(wù)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
• 對(duì)于無(wú)連接型套接字，可以使用 `sendto()` 和 `recvfrom()` 函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

關(guān)閉 Socket：

• 使用 `close()` 函數(shù)關(guān)閉套接字，釋放相關(guān)資源。

WPF 接入 UNIX Socket 開(kāi)發(fā)案例

在WPF應(yīng)用程序中創(chuàng)建UNIX Socket的服務(wù)端和客戶(hù)端，可以使用System.Net.Sockets.Socket類(lèi)。

服務(wù)端（Server）：

using System;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using System.Windows;

namespace UnixSocketExample
{
    public partial class MainWindow : Window
    {
        private const string SocketFilePath = "/path/to/unix/socket"; // UNIX Socket文件路徑

        public MainWindow()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private async void StartButton_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
        {
            try
            {
                var socket = new Socket(AddressFamily.Unix, SocketType.Stream, ProtocolType.Unspecified);

                // 如果Socket文件已存在，則先刪除
                if (System.IO.File.Exists(SocketFilePath))
                {
                    System.IO.File.Delete(SocketFilePath);
                }

                // 綁定并開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)UNIX Socket
                socket.Bind(new UnixDomainSocketEndPoint(SocketFilePath));
                socket.Listen(1);

                await Task.Run(() =>
                {
                    while (true)
                    {
                        var clientSocket = socket.Accept(); // 接受客戶(hù)端連接

                        byte[] buffer = Encoding.ASCII.GetBytes("Hello from server"); // 要發(fā)送的數(shù)據(jù)
                        clientSocket.Send(buffer); // 向客戶(hù)端發(fā)送數(shù)據(jù)

                        clientSocket.Close(); // 關(guān)閉客戶(hù)端連接
                    }
                });
            }
            catch (Exception ex)
            {
                MessageBox.Show($"Error: {ex.Message}", "Server Error", MessageBoxButton.OK, MessageBoxImage.Error);
            }
        }
    }
}

客戶(hù)端（Client）：

using System;
using System.Net.Sockets;
using System.Text;
using System.Windows;

namespace UnixSocketExample
{
    public partial class MainWindow : Window
    {
        private const string SocketFilePath = "/path/to/unix/socket"; // UNIX Socket文件路徑

        public MainWindow()
        {
            InitializeComponent();
        }

        private void ConnectButton_Click(object sender, RoutedEventArgs e)
        {
            try
            {
                var socket = new Socket(AddressFamily.Unix, SocketType.Stream, ProtocolType.Unspecified);

                socket.Connect(new UnixDomainSocketEndPoint(SocketFilePath)); // 連接到服務(wù)端

                byte[] buffer = new byte[1024];
                int bytesRead = socket.Receive(buffer); // 接收數(shù)據(jù)
                string receivedData = Encoding.ASCII.GetString(buffer, 0, bytesRead);

                ReceiveTextBox.Text = receivedData; // 顯示接收到的數(shù)據(jù)

                socket.Close(); // 關(guān)閉客戶(hù)端連接
            }
            catch (Exception ex)
            {
                MessageBox.Show($"Error: {ex.Message}", "Connection Error", MessageBoxButton.OK, MessageBoxImage.Error);
            }
        }
    }
}

在這個(gè)例子中，主窗口分別包含一個(gè)“Start”按鈕（服務(wù)端）和一個(gè)“Connect”按鈕（客戶(hù)端），以及一個(gè)用于展示接收到的數(shù)據(jù)的文本框。服務(wù)端代碼負(fù)責(zé)創(chuàng)建UNIX Socket并綁定到指定的文件路徑，然后開(kāi)始監(jiān)聽(tīng)連接請(qǐng)求。當(dāng)客戶(hù)端連接時(shí)，服務(wù)端向客戶(hù)端發(fā)送一條消息，并關(guān)閉連接?？蛻?hù)端代碼負(fù)責(zé)連接到服務(wù)端的UNIX Socket，接收服務(wù)端發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將接收到的數(shù)據(jù)顯示在文本框中。

UNIX Socket進(jìn)程間通信之序列化

使用UNIX Socket進(jìn)行進(jìn)程間通信時(shí)，序列化是一個(gè)重要的問(wèn)題。由于UNIX Socket只能傳輸字節(jié)流，而對(duì)象是無(wú)法直接傳輸?shù)?，因此需要將?duì)象進(jìn)行序列化成字節(jié)流再傳輸，接收方接收到字節(jié)流后再進(jìn)行反序列化還原為對(duì)象。常用的解決方案有：

• 選擇合適的序列化方式：在.NET框架中有多種序列化方式可供選擇，例如XML序列化、JSON序列化和二進(jìn)制序列化等。您可以根據(jù)實(shí)際需求選擇適合的序列化方式。注意，需要確保序列化方式在進(jìn)程間通信中是兼容的。
• 定義數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：使用類(lèi)或結(jié)構(gòu)體來(lái)定義數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷胶徒Y(jié)構(gòu)。這些類(lèi)或結(jié)構(gòu)體需要進(jìn)行序列化和反序列化。
• 序列化和反序列化：在發(fā)送方，將要傳輸?shù)膶?duì)象進(jìn)行序列化成字節(jié)流，并通過(guò)UNIX Socket發(fā)送；在接收方，接收到字節(jié)流后進(jìn)行反序列化還原為對(duì)象。

案例演示如何使用BinaryFormatter進(jìn)行對(duì)象的二進(jìn)制序列化和反序列化：

using System;
using System.IO;
using System.Net.Sockets;
using System.Runtime.Serialization.Formatters.Binary;

// 發(fā)送方
var socket = new Socket(AddressFamily.Unix, SocketType.Stream, ProtocolType.Unspecified);
socket.Connect(new UnixDomainSocketEndPoint("/path/to/unix/socket"));

var data = new MyData { Name = "Alice", Age = 30 }; // 要傳輸?shù)膶?duì)象

var formatter = new BinaryFormatter();
using (var stream = new MemoryStream())
{
    formatter.Serialize(stream, data); // 對(duì)象序列化到內(nèi)存流中
    var buffer = stream.ToArray(); // 獲取字節(jié)流數(shù)據(jù)
    socket.Send(buffer); // 發(fā)送字節(jié)流
}

socket.Close();

// 接收方
var listener = new Socket(AddressFamily.Unix, SocketType.Stream, ProtocolType.Unspecified);
listener.Bind(new UnixDomainSocketEndPoint("/path/to/unix/socket"));
listener.Listen(1);

var clientSocket = listener.Accept();
var receivedBuffer = new byte[1024];
var bytesRead = clientSocket.Receive(receivedBuffer); // 接收字節(jié)流

using (var stream = new MemoryStream(receivedBuffer, 0, bytesRead))
{
    var receivedData = formatter.Deserialize(stream) as MyData; // 字節(jié)流反序列化為對(duì)象
    Console.WriteLine($"Received: {receivedData.Name}, {receivedData.Age}");
}

clientSocket.Close();
listener.Close();

// 要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
[Serializable]
public class MyData
{
    public string Name { get; set; }
    public int Age { get; set; }
}

在這個(gè)示例中，發(fā)送方將MyData對(duì)象進(jìn)行二進(jìn)制序列化，并通過(guò)UNIX Socket發(fā)送字節(jié)流。接收方接收到字節(jié)流后，使用相同的二進(jìn)制序列化方式進(jìn)行反序列化還原為MyData對(duì)象。要注意的是，由于不同平臺(tái)和不同開(kāi)發(fā)環(huán)境的序列化機(jī)制可能存在差異，因此在進(jìn)行跨平臺(tái)的進(jìn)程間通信時(shí)，需要確保序列化方式的兼容性。另外，如果要序列化的對(duì)象是自定義類(lèi)或結(jié)構(gòu)體，需要將其標(biāo)記為可序列化（使用[Serializable]特性）才能進(jìn)行序列化和反序列化操作。