🚀 使用 UNIX 域套接字 (AF_UNIX) 實現高效進程通信

在 Linux 和其他類 UNIX 系統中，進程間通信 (IPC) 的方法有很多種，例如管道、消息隊列、共享內存等。然而，當你的應用程序需要在 同一臺機器上的不同進程間進行高效、低延遲的數據交換時，UNIX 域套接字 (AF_UNIX) 往往是最佳選擇。
它的工作方式類似于網絡套接字，但所有數據傳輸都發生在內核內部，避免了網絡協議棧的開銷，因此速度更快、效率更高。

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💡 為什么選擇 UNIX 域套接字？

在深入代碼之前，我們先來聊聊 AF_UNIX 的優勢：

1. 高性能：數據在內核中直接傳遞，無需經過網絡層，減少了數據復制和上下文切換，顯著提升了通信速度。
2. 低延遲：由于沒有網絡開銷，通信延遲極低，非常適合對實時性要求高的應用。
3. 安全性：UNIX 域套接字在文件系統中表現為一個特殊文件。這意味著你可以使用標準的文件權限來控制哪些用戶或進程可以訪問它，提供了比某些其他 IPC 機制更細粒度的安全控制。
4. API 熟悉度：如果你熟悉網絡套接字（AF_INET），那么AF_UNIX 的 API會讓你感到非常親切。socket(), bind(), listen(), accept(), connect(), read(), write() 等函數都通用，降低了學習成本

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🛠? 如何工作？（核心概念）

UNIX 域套接字的運作方式很直觀：

1. 文件路徑作為地址：與網絡套接字使用 IP 地址和端口號不同，AF_UNIX 套接字使用文件系統路徑作為其唯一的標識符。服務器會綁定到一個特定的文件路徑（例如 /tmp/my_socket），客戶端則通過這個路徑來連接服務器。

2. 服務器端：
   創建一個 AF_UNIX 類型的套接字。
   將套接字綁定到文件系統中的一個路徑。這個操作會在指定路徑下創建一個特殊的套接字文件。
   開始監聽傳入的連接請求。
   接受客戶端的連接，每次接受都會返回一個新的套接字文件描述符，用于與該客戶端單獨通信。
   使用 read() 和 write() 進行數據傳輸。

3. 客戶端：
   創建一個 AF_UNIX 類型的套接字。
   連接到服務器綁定的文件路徑。
   使用read()和 write() 進行數據傳輸。

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🧑?💻 代碼實戰：構建一個簡單的 Echo 服務器

下面將通過 C 語言代碼，一步步實現一個 UNIX 域套接字服務器和對應的客戶端。服務器將接收客戶端發送的消息，并原樣返回（Echo）。

1. 服務器端 (server.c)
   服務器的職責是創建、綁定、監聽并接受連接，然后處理數據

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h> // 包含 sockaddr_un 結構體
#include <unistd.h>#define SOCKET_PATH "/tmp/my_unix_socket" // 服務器將綁定的套接字文件路徑
#define BUFFER_SIZE 256int main() {int server_fd, client_fd;struct sockaddr_un server_addr, client_addr;socklen_t client_len;char buffer[BUFFER_SIZE];int bytes_read;// 1. 創建UNIX域套接字 (AF_UNIX, 流式套接字 SOCK_STREAM)server_fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);if (server_fd == -1) {perror("socket");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 設置服務器地址結構體memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sun_family = AF_UNIX;// 將套接字路徑復制到 sun_path 字段strncpy(server_addr.sun_path, SOCKET_PATH, sizeof(server_addr.sun_path) - 1);// 3. 重要的清理步驟：刪除舊的套接字文件（如果存在）// 如果服務器上次異常退出，可能留下這個文件，導致綁定失敗unlink(SOCKET_PATH); // 4. 將套接字綁定到指定的文件路徑if (bind(server_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("bind");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}// 5. 開始監聽連接請求，隊列長度為 5if (listen(server_fd, 5) == -1) {perror("listen");close(server_fd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("🚀 服務器已啟動，監聽在 %s...\n", SOCKET_PATH);while (1) {client_len = sizeof(client_addr);// 6. 接受新的客戶端連接，這是一個阻塞調用client_fd = accept(server_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);if (client_fd == -1) {perror("accept");continue; // 繼續等待下一個連接}printf("🤝 接受到一個新連接。\n");// 7. 與客戶端進行數據通信（Echo 功能）while ((bytes_read = read(client_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1)) > 0) {buffer[bytes_read] = '\0'; // 確保字符串以 null 結尾printf("?? 接收到客戶端消息: %s", buffer);// 將收到的消息原樣回傳給客戶端if (write(client_fd, buffer, bytes_read) == -1) {perror("write");break; // 寫入失敗則退出循環}printf("?? 已回復客戶端。\n");}if (bytes_read == -1) {perror("read");} else if (bytes_read == 0) {printf("🔴 客戶端已關閉連接。\n");}// 8. 關閉與當前客戶端的連接close(client_fd);}// 9. 關閉服務器監聽套接字，并清理套接字文件（通常在程序退出時執行）close(server_fd);unlink(SOCKET_PATH); return 0;
}

2. 客戶端 (client.c)
   客戶端負責創建套接字并連接到服務器，然后發送和接收數據。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/socket.h>
#include <sys/un.h> // 包含 sockaddr_un 結構體
#include <unistd.h>#define SOCKET_PATH "/tmp/my_unix_socket" // 服務器的套接字文件路徑
#define BUFFER_SIZE 256int main() {int client_fd;struct sockaddr_un server_addr;char buffer[BUFFER_SIZE];int bytes_read;// 1. 創建UNIX域套接字client_fd = socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0);if (client_fd == -1) {perror("socket");exit(EXIT_FAILURE);}// 2. 設置服務器地址結構體memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));server_addr.sun_family = AF_UNIX;strncpy(server_addr.sun_path, SOCKET_PATH, sizeof(server_addr.sun_path) - 1);// 3. 連接到服務器if (connect(client_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {perror("connect");close(client_fd);exit(EXIT_FAILURE);}printf("? 成功連接到服務器。\n");// 4. 與服務器進行數據通信while (1) {printf("請輸入消息（輸入 'exit' 退出）: ");if (fgets(buffer, sizeof(buffer), stdin) == NULL) {break; // 讀取失敗或EOF}// 檢查用戶是否輸入 'exit'if (strcmp(buffer, "exit\n") == 0) {break;}// 將消息發送給服務器if (write(client_fd, buffer, strlen(buffer)) == -1) {perror("write");break;}// 從服務器接收回復bytes_read = read(client_fd, buffer, sizeof(buffer) - 1);if (bytes_read == -1) {perror("read");break;} else if (bytes_read == 0) {printf("🚫 服務器已關閉連接。\n");break;}buffer[bytes_read] = '\0'; // 確保字符串以 null 結尾printf("?? 收到服務器回復: %s", buffer);}// 5. 關閉客戶端套接字close(client_fd);printf("👋 客戶端已退出。\n");return 0;
}

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🖥? 編譯與運行

在你的 Linux 終端中，按照以下步驟編譯和運行：

編譯服務器和客戶端：

gcc server.c -o server
gcc client.c -o client

啟動服務器：
打開一個終端窗口，運行服務器程序。

./server

你應該會看到輸出 🚀 服務器已啟動，監聽在 /tmp/my_unix_socket…

啟動客戶端：
打開另一個終端窗口，運行客戶端程序。

./client

客戶端會顯示 ? 成功連接到服務器。

現在，你可以在客戶端終端輸入消息，服務器會接收到并將其原樣返回給客戶端！

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🧹 清理注意事項

UNIX 域套接字文件 (/tmp/my_unix_socket 在我們的例子中) 會在服務器綁定時創建。如果服務器非正常退出 (例如，被 Ctrl+C 中斷)，這個文件可能不會被自動刪除。下次你嘗試啟動服務器時，可能會遇到 “Address already in use” (地址已被占用) 的錯誤。

這就是為什么在服務器代碼中，我們特意加入了 unlink(SOCKET_PATH); 這一行。它確保在綁定新套接字之前，刪除任何可能殘留的舊套接字文件，從而避免啟動失敗。