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UDP 与本地域套接字：无连接与同机高速 IPC ​

引言：TCP 之外的两副面孔 ​

TCP 讲完了,可 socket 家族不止它。这一章看另外两个常用成员。一个是 UDP(SOCK_DGRAM,数据报)——它跟 TCP 的「字节流」哲学正好相反:无连接、不可靠、但有消息边界,适合 DNS 查询、视频流、游戏这种「丢一两个包无所谓、但要快」的场景。另一个是本地域套接字(AF_UNIX)——接口跟 TCP 几乎一样,但只在同一台机器内通信、走文件系统路径而非网络,是同机 IPC 里又快又好用的选择,还能干一件 TCP 干不了的事:在 socket 上传 fd。

UDP:无连接、有消息边界的数据报 ​

UDP 的接口比 TCP 简单得多,因为它没有连接这个概念——你不用 connect/accept,直接 sendto(目标地址) 把数据报扔出去、对方 recvfrom 收。服务端只要 socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0) + bind,然后 recvfrom 阻塞等数据报进来;客户端连 bind/connect 都不用,直接 sendto 指定目的地。真跑一遍,服务端收两个数据报:

展开代码 (共 55 行)收起代码
c
#define _POSIX_C_SOURCE 200809L
#include <arpa/inet.h>
#include <netinet/in.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    int sfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0); /* UDP 数据报 */
    struct sockaddr_in addr;
    addr.sin_family = AF_INET;
    addr.sin_port = htons(0);
    addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_LOOPBACK);
    bind(sfd, (struct sockaddr*) &addr, sizeof(addr));

    socklen_t alen = sizeof(addr);
    getsockname(sfd, (struct sockaddr*) &addr, &alen);
    int port = ntohs(addr.sin_port);
    printf("[server] UDP 绑定 127.0.0.1:%d\n", port);
    fflush(stdout);

    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        close(sfd);
        sleep(1);
        int cfd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);
        struct sockaddr_in saddr;
        saddr.sin_family = AF_INET;
        saddr.sin_port = htons(port);
        saddr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_LOOPBACK);
        /* UDP 无连接:直接 sendto 指定目的地,不用 connect */
        sendto(cfd, "hello udp", 9, 0, (struct sockaddr*) &saddr, sizeof(saddr));
        sendto(cfd, "second", 6, 0, (struct sockaddr*) &saddr, sizeof(saddr));
        close(cfd);
        _exit(0);
    }

    /* 服务端:recvfrom 阻塞收数据报。一次 sendto 对应一次 recvfrom(有边界) */
    for (int i = 0; i < 2; i++) {
        char buf[64];
        struct sockaddr_in peer;
        socklen_t plen = sizeof(peer);
        ssize_t n = recvfrom(sfd, buf, sizeof(buf) - 1, 0, (struct sockaddr*) &peer, &plen);
        if (n > 0) {
            buf[n] = '\0';
            printf("[server] recvfrom 第 %d 个数据报: %s\n", i + 1, buf);
        }
    }
    close(sfd);
    waitpid(pid, NULL, 0);
    return 0;
}
text
$ gcc -std=c11 -Wall udp.c -o udp && ./udp
[server] UDP 绑定 127.0.0.1:47744
[server] recvfrom 第 1 个数据报: hello udp
[server] recvfrom 第 2 个数据报: second

客户端连发两个 sendto("hello udp" 和 "second"),服务端两个 recvfrom 各收到一条、完整、不粘连——这就是 UDP 「有消息边界」的可观测后果:每个 sendto 是一个独立的数据报、对端一次 recvfrom 整个拿走那条、不会跟下一条粘到一起。回想上一章 TCP 的粘包/半包烦恼——UDP 天然没这问题,因为它本来就是「按消息」收发的。代价是它的另两个属性:无连接(没有 TCP 那种三次握手、建立连接的状态)和不可靠——数据报到不到、到不到顺序、会不会重复,UDP 都不保证(丢就丢了、内核不重传)。所以 UDP 适合「我自己应用层处理可靠性也行」或「丢点数据无所谓」的场景(DNS 一个请求一个响应、视频流丢一帧无所谓、游戏状态同步),不适合传文件这种「一个字节都不能少」的场景(那老老实实用 TCP)。recvfrom 的最后两个参数还能把发送方的地址带回来(代码里的 peer),所以服务端能知道「这个数据报是谁发来的」、回信时 sendto 回那个地址——UDP 常用这种「一个 socket 跟很多客户端来回」的模式,不用像 TCP 那样每个客户端一条连接。

本地域套接字 AF_UNIX:同机高速 IPC ​

本地域套接字(AF_UNIX,头 <sys/un.h>)是 socket 家族里专门给同一台机器上进程间通信用的一员。它的接口跟 TCP 几乎一模一样(同样 socket/bind/listen/accept/connect/read/write),唯一的区别是:地址不是 IP+端口,而是文件系统里的一个路径(struct sockaddr_un 的 sun_path 字段)。bind 会在那个路径上创建一个特殊的 socket 文件(标志是「类型 p」),客户端 connect 这个路径就连上。因为数据根本不进网络协议栈、就在内核里搬,所以比走 127.0.0.1 的 TCP 快不少(少了 TCP/IP 协议头处理、校验、协议栈层级)。真跑一遍:

展开代码 (共 47 行)收起代码
c
#define _POSIX_C_SOURCE 200809L
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h>
#include <sys/wait.h>
#include <unistd.h>

int main(void) {
    const char* path = "/tmp/cj/p5ch13/unix.sock";
    unlink(path); /* 清掉残留 */

    int listen_fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
    struct sockaddr_un addr;
    addr.sun_family = AF_UNIX;
    strncpy(addr.sun_path, path, sizeof(addr.sun_path) - 1);
    bind(listen_fd, (struct sockaddr*) &addr, sizeof(addr));
    listen(listen_fd, 1);

    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        close(listen_fd);
        sleep(1);
        int cfd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);
        struct sockaddr_un saddr;
        saddr.sun_family = AF_UNIX;
        strncpy(saddr.sun_path, path, sizeof(saddr.sun_path) - 1);
        connect(cfd, (struct sockaddr*) &saddr, sizeof(saddr));
        write(cfd, "hello unix", 10);
        close(cfd);
        _exit(0);
    }

    int cfd = accept(listen_fd, NULL, NULL);
    char buf[64];
    ssize_t n = read(cfd, buf, sizeof(buf) - 1);
    if (n > 0) {
        buf[n] = '\0';
        printf("[server] 通过 AF_UNIX 收到: %s\n", buf);
    }
    close(cfd);
    close(listen_fd);
    unlink(path); /* 清理 socket 文件 */
    waitpid(pid, NULL, 0);
    return 0;
}
text
$ gcc -std=c11 -Wall unix_stream.c -o us && ./us
[server] 通过 AF_UNIX 收到: hello unix

服务端 bind 到 /tmp/cj/p5ch13/unix.sock、listen/accept,客户端 connect 同一个路径、write —— 完全跟 TCP 一样的用法,只是地址换成了文件系统路径。注意我开头 unlink(path) 先清残留、结尾再 unlink(path) 清掉——这个 socket 文件不会随进程退出自动消失(跟第 7 章的共享内存对象一个脾气),不清理就会留在文件系统里、下次 bind 还会因路径已占报错(EADDRINUSE)。

AF_UNIX 还有个 TCP 做不到的独家本事:在 socket 上传 fd。用 sendmsg/recvmsg 配合「辅助消息」(SCM_RIGHTS),一个进程能把自己打开的一个 fd 发给另一个进程、对方收到后就能用这个 fd 访问同一个打开文件——这是 AF_UNIX 独有的(因为内核得能在两个进程的 fd 表之间搬,跨机器的网络 socket 做不到)。Docker、systemd 都用这套机制把 fd 交给别的进程。这套接口(struct msghdr、CMSG_* 宏)比较繁琐,这里只认下名字、知道「AF_UNIX 能传 fd」就行,具体用到了再查 cmsg(3)。

TCP vs UDP:字节流 vs 数据报 ​

把 TCP 和 UDP 放一起对照,差别就一句话:TCP 是字节流、UDP 是数据报。TCP 给你一条可靠的、有序的、没有消息边界的字节管道(你得多写、它会粘包/半包、得自己加边界),适合「数据不能少」的场景(文件、网页、数据库);UDP 给你一个个独立、有边界、但不保证到达、不保证顺序的数据报(发一条是一条、收一条是一条),适合「快、丢了无所谓」或「应用层自己管可靠性」的场景。两者 socket 接口都从 socket() 起步,只是 type 一个 SOCK_STREAM 一个 SOCK_DGRAM,后续 read/write vs recvfrom/sendto 也对称。本地域套接字 AF_UNIX 则是另一维度——它可以用 SOCK_STREAM(像 TCP)或 SOCK_DGRAM(像 UDP),区别只在于地址是「文件路径」而非「IP+端口」、且只在同机内走、能传 fd。

小结 ​

UDP(SOCK_DGRAM)无连接、不可靠、但有消息边界——sendto 一次就是一条数据报、对端 recvfrom 一次整条收走,不粘不拆;适合 DNS/视频/游戏等「快、丢得起」的场景,不适合传文件。本地域套接字 AF_UNIX 用文件系统路径(sockaddr_un.sun_path)当地址,接口同 TCP(socket/bind/listen/accept/connect + read/write),但只在同机内走、不经网络协议栈、比 127.0.0.1 TCP 快,还能用 SCM_RIGHTS 在 socket 上传 fd(TCP 做不到);记得 unlink 清理 socket 文件。TCP 字节流 vs UDP 数据报:前者可靠有序无边界、后者独立有边界但不可靠不保序。

socket 这一族到这就基本齐了。最后一章讲名址解析——前面所有 demo 都把 IP 写死成 127.0.0.1,可真实程序拿到的是「域名」(像 example.com)和「服务名」(像 http),怎么把它们变成能 connect 的地址?getaddrinfo 就是干这个的,而且它能做到「协议无关」(IPv4/IPv6 通吃)。

参考资源 ​

  • UNP：《Unix Network Programming, Volume 1》(W. Richard Stevens / Bill Fenner / Andrew M. Rudoff),第 8 章 UDP 基础、第 15 章 Unix 域套接字(含 SCM_RIGHTS 传 fd)。
  • TLPI：《The Linux Programming Interface》(Michael Kerrisk),第 59 章(AF_UNIX)、第 58 章(socket 总览,UDP 一节)。
  • man 页：udp(7)(UDP 语义、不可靠性边界)、sendto(2)/recvfrom(2)、unix(7)(AF_UNIX,SCM_RIGHTS 传 fd)、cmsg(3)(辅助消息宏)。
  • POSIX：SOCK_DGRAM/sendto/recvfrom/AF_UNIX/struct sockaddr_un 全是 IEEE Std 1003.1-2008。