socket又稱套接字，是linux跨進程通信（IPC）方式的一種，它不僅僅可以做到同一臺主機內(nèi)跨進程通信，還可以做到不同主機間的跨進程通信。
本教程操作環(huán)境：linux5.9.8系統(tǒng)、Dell G3電腦。
socket 的原意是“插座”，在計算機通信領域，socket 被翻譯為“套接字”，它是計算機之間進行通信的一種約定或一種方式。通過 socket 這種約定，一臺計算機可以接收其他計算機的數(shù)據(jù)，也可以向其他計算機發(fā)送數(shù)據(jù)。
linux中的socket
Socket是Linux跨進程通信（IPC，Inter Process Communication，詳情參考：Linux進程間通信方式總結(jié)）方式的一種。相比于其他IPC方式，Socket更牛的地方在于，它不僅僅可以做到同一臺主機內(nèi)跨進程通信，它還可以做到不同主機間的跨進程通信。根據(jù)通信域的不同可以劃分成2種：Unix domain socket 和 Internet domain socket。
1. Internet domain socket
Internet domain socket用于實現(xiàn)不同主機上的進程間通信，大部分情況下我們所說的socket都是指internet domain socket。（下文不特殊指代的情況下，socket就是指internet domain socket。）
要做到不同主機跨進程通信，第一個要解決的問題就是怎么唯一標識一個進程。我們知道主機上每個進程都有一個唯一的pid，通過pid可以解決同一臺主機上的跨進程通信進程的識別問題。但是如果2個進程不在一臺主機上的話，pid是有可能重復的，所以在這個場景下不適用，那有什么其他的方式嗎？我們知道通過主機IP可以唯一鎖定主機，而通過端口可以定位到程序，而進程間通信我們還需要知道通信用的什么協(xié)議。這樣一來“IP+端口+協(xié)議”的組合就可以唯一標識網(wǎng)絡中一臺主機上的一個進程。這也是生成socket的主要參數(shù)。
每個進程都有唯一標識之后，接下來就是通信了。通信這事一個巴掌拍不響，有發(fā)送端程序就有接收端程序，而Socket可以看成在兩端進行通訊連接中的一個端點，發(fā)送端將一段信息寫入發(fā)送端Socket中，發(fā)送端Socket將這段信息發(fā)送給接收端Socket，最后這段信息傳送到接收端。至于信息怎么從發(fā)送端Socket到接收端Socket就是操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡棧該操心的事情，我們可以不用了解細節(jié)。如下圖所示：
為了維護兩端的連接，我們的Socket光有自己的唯一標識還不夠，還需要對方的唯一標識，所以一個上面說的發(fā)送端和接收端Socket其實都只有一半，一個完整的Socket的組成應該是由[協(xié)議，本地地址，本地端口，遠程地址，遠程端口] 組成的一個5維數(shù)組。比如發(fā)送端的Socket就是 [tcp，發(fā)送端IP，發(fā)送端port，接收端IP，接收端port]，那么接收端的Socket就是 [tcp，接收端IP，接收端port，發(fā)送端IP，發(fā)送端port]。
打個比方加深下理解，就比如我給你發(fā)微信聯(lián)系你這個場景，我倆就是進程，微信客戶端就是Socket，微信號就是我倆的唯一標識，至于騰訊是怎么把我發(fā)的微信消息傳到你的微信上的細節(jié)，我們都不需要關心。為了維持我倆的聯(lián)系，我們的Socket光有微信客戶端還不行，我倆還得加好友，這樣通過好友列表就能互相找到，我的微信客戶端的好友列表中的你就是我的完整Socket，而你的微信客戶端的好友列表中的我就是你的完整Socket。希望沒有把你們弄暈。。。
Socket根據(jù)通信協(xié)議的不同還可以分為3種：流式套接字(SOCK_STREAM)，數(shù)據(jù)報套接字(SOCK_DGRAM)及原始套接字。
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流式套接字(SOCK_STREAM)：最常見的套接字，使用TCP協(xié)議，提供可靠的、面向連接的通信流。保證數(shù)據(jù)傳輸是正確的，并且是順序的。應用于Telnet遠程連接、WWW服務等。
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數(shù)據(jù)報套接字(SOCK_DGRAM)：使用UDP協(xié)議，提供無連接的服務，數(shù)據(jù)通過相互獨立的報文進行傳輸，是無序的，并且不保證可靠性。使用UDP的應用程序要有自己的對數(shù)據(jù)進行確認的協(xié)議。
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原始套接字：允許對低層協(xié)議如IP或ICMP直接訪問，主要用于新的網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)的測試等。原始套接字主要用于一些協(xié)議的開發(fā)，可以進行比較底層的操作。它功能強大，但是沒有上面介紹的兩種套接字使用方便，一般的程序也涉及不到原始套接字。
套接字工作過程如下圖所示（以流式套接字為例，數(shù)據(jù)報套接字流程有所不同，可以參考：什么是套接字（Socket））：服務器首先啟動，通過調(diào)用socket()建立一個套接字，然后調(diào)用bind()將該套接字和本地網(wǎng)絡地址聯(lián)系在一起，再調(diào)用listen()使套接字做好偵聽的準備，并規(guī)定它的請求隊列的長度，之后就調(diào)用accept()來接收連接。客戶端在建立套接字后就可調(diào)用connect()和服務器建立連接。連接一旦建立，客戶機和服務器之間就可以通過調(diào)用read()和write()來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。最后，待數(shù)據(jù)傳送結(jié)束后，雙方調(diào)用close()關閉套接字。
從TCP連接視角看待上述過程可以總結(jié)如圖，可以看到TCP的三次握手代表著Socket連接建立的過程，建立完連接后就可以通過read，wirte相互傳輸數(shù)據(jù)，最后四次揮手斷開連接刪除Socket。
2. Unix domain socket
Unix domain socket 又叫 IPC(inter-process communication 進程間通信) socket，用于實現(xiàn)同一主機上的進程間通信。socket 原本是為網(wǎng)絡通訊設計的，但后來在 socket 的框架上發(fā)展出一種 IPC 機制，就是 UNIX domain socket。雖然網(wǎng)絡 socket 也可用于同一臺主機的進程間通訊(通過 loopback 地址 127.0.0.1)，但是 UNIX domain socket 用于 IPC 更有效率：不需要經(jīng)過網(wǎng)絡協(xié)議棧，不需要打包拆包、計算校驗和、維護序號和應答等，只是將應用層數(shù)據(jù)從一個進程拷貝到另一個進程。這是因為，IPC 機制本質(zhì)上是可靠的通訊，而網(wǎng)絡協(xié)議是為不可靠的通訊設計的。
UNIX domain socket 是全雙工的，API 接口語義豐富，相比其它 IPC 機制有明顯的優(yōu)越性，目前已成為使用最廣泛的 IPC 機制，比如 X Window 服務器和 GUI 程序之間就是通過 UNIX domain socket 通訊的。Unix domain socket 是 POSIX 標準中的一個組件，所以不要被名字迷惑，linux 系統(tǒng)也是支持它的。
了解Docker的同學應該知道Docker daemon監(jiān)聽一個docker.sock文件，這個docker.sock文件的默認路徑是/var/run/docker.sock，這個Socket就是一個Unix domain socket。在后面的實踐環(huán)節(jié)會詳細介紹。
Socket實踐
要學好編程，最好的方式就是實踐。接下來我們來實際用下Socket通信，并且觀察Socket文件
1. Internet domain socket實踐
現(xiàn)在我們就用socket寫一個server，由于本人C語言經(jīng)驗較少，所以這里我選擇用GoLang實踐。server的功能很簡單，就是監(jiān)聽1208端口，當收到輸入ping時就返回pong，收到echo xxx就返回xxx，收到quit就關閉連接。socket-server.go的代碼參考文章：使用 Go 進行 Socket 編程 | 始于珞塵。如下：
package?main import?( "fmt" "net" "strings" ) func?connHandler(c?net.Conn)?{ if?c?==?nil?{ return } buf?:=?make([]byte,?4096) for?{ cnt,?err?:=?c.Read(buf) if?err?!=?nil?||?cnt?==?0?{ c.Close() break } inStr?:=?strings.TrimSpace(string(buf[0:cnt])) inputs?:=?strings.Split(inStr,?"?") switch?inputs[0]?{ case?"ping": c.Write([]byte("pongn")) case?"echo": echoStr?:=?strings.Join(inputs[1:],?"?")?+?"n" c.Write([]byte(echoStr)) case?"quit": c.Close() break default: fmt.Printf("Unsupported?command:?%sn",?inputs[0]) } } fmt.Printf("Connection?from?%v?closed.?n",?c.RemoteAddr()) } func?main()?{ server,?err?:=?net.Listen("tcp",?":1208") if?err?!=?nil?{ fmt.Printf("Fail?to?start?server,?%sn",?err) } fmt.Println("Server?Started?...") for?{ conn,?err?:=?server.Accept() if?err?!=?nil?{ fmt.Printf("Fail?to?connect,?%sn",?err) break } go?connHandler(conn) } }
在一切皆文件的Unix-like系統(tǒng)中，進程生產(chǎn)的socket通過socket文件來表示，進程通過向socket文件讀寫內(nèi)容實現(xiàn)消息的傳遞。在Linux系統(tǒng)中，通常socket文件在/proc/pid/fd/文件路徑下。啟動我們的socket-server，我們來窺探一下對應的socket文件。先啟動server：
#?go?run?socket-server.go? Server?Started?...
再開一個窗口，我們先查看server進程的pid，可以使用lsof或netstat命令：
#?lsof?-i?:1208 COMMAND?????PID???USER???FD???TYPE?DEVICE?SIZE/OFF?NODE?NAME socket-se?20007???root????3u??IPv6?470314??????0t0??TCP?*:1208?(LISTEN) #?netstat?-tupan?|?grep?1208 tcp6???????0??????0?:::1208?????????????????:::*????????????????????LISTEN??????20007/socket-server
可以看到我們的server pid為20007，接下來我們來查看下server監(jiān)聽的socket：
#?ls?-l?/proc/20007/fd total?0 lrwx------?1?root?root?64?Sep?11?07:15?0?->?/dev/pts/0 lrwx------?1?root?root?64?Sep?11?07:15?1?->?/dev/pts/0 lrwx------?1?root?root?64?Sep?11?07:15?2?->?/dev/pts/0 lrwx------?1?root?root?64?Sep?11?07:15?3?->?'socket:[470314]' lrwx------?1?root?root?64?Sep?11?07:15?4?->?'anon_inode:[eventpoll]'
可以看到/proc/20007/fd/3是一個鏈接文件，指向socket:[470314]，這個便是server端的socket。socket-server啟動經(jīng)歷了socket() –> bind() –> listen()3個過程，創(chuàng)建了這個LISTEN socket用來監(jiān)聽對1208端口的連接請求。
我們知道socket通信需要一對socket：server端和client端。現(xiàn)在我們再開一個窗口，在socket-server的同一臺機器上用telnet啟動一個client ，來看看client端的socket：
#?telnet?localhost?1208 Trying?127.0.0.1... Connected?to?localhost. Escape?character?is?'^]'.
繼續(xù)查看server端口打開的文件描述符；
#?lsof?-i?:1208 COMMAND?????PID???USER???FD???TYPE?DEVICE?SIZE/OFF?NODE?NAME socket-se?20007???root????3u??IPv6?470314??????0t0??TCP?*:1208?(LISTEN) socket-se?20007???root????5u??IPv6?473748??????0t0??TCP?localhost:1208->localhost:51090?(ESTABLISHED) telnet????20375?ubuntu????3u??IPv4?473747??????0t0??TCP?localhost:51090->localhost:1208?(ESTABLISHED)
我們發(fā)現(xiàn)，相對于之前的結(jié)果多了2條，這3條分別是：
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*:1208 (LISTEN)是server到監(jiān)聽socket文件名，所屬進程pid是20007
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localhost:1208->localhost:51090 (ESTABLISHED)是server端為client端建立的新的socket，負責和client通信，所屬進程pid是20007
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localhost:51090->localhost:1208 (ESTABLISHED)是client端為server端建立的新的socket，負責和server通信，所屬進程pid是20375
在/proc/pid/fd/文件路徑下可以看到server和client新建的socket，這里不做贅述。從第3條結(jié)果我們可以看出，前2條socket，LISTEN socket和新建的ESTABLISHED socket都屬于server進程，對于每條鏈接server進程都會創(chuàng)建一個新的socket去鏈接client，這條socket的源IP和源端口為server的IP和端口，目的IP和目的端口是client的IP和端口。相應的client也創(chuàng)建一條新的socket，該socket的源IP和源端口與目的IP和目的端口恰好與server創(chuàng)建的socket相反，client的端口為一個主機隨機分配的高位端口。
從上面的結(jié)果我們可以回答一個問題 “服務端socket.accept后,會產(chǎn)生新端口嗎”? 答案是不會。server的監(jiān)聽端口不會變，server為client創(chuàng)建的新的socket的端口也不會變，在本例中都是1208。這難到不會出現(xiàn)端口沖突嗎？當然不會，我們知道socket是通過5維數(shù)組[協(xié)議，本地IP，本地端口，遠程IP，遠程端口] 來唯一確定的。socket: *:1208 (LISTEN)和socket: localhost:1208->localhost:51090 (ESTABLISHED)是不同的socket 。那這個LISTEN socket有什么用呢？我的理解是當收到請求連接的數(shù)據(jù)包，比如TCP的SYN請求，那么這個連接會被LISTEN socket接收，進行accept處理。如果是已經(jīng)建立過連接后的客戶端數(shù)據(jù)包，則將數(shù)據(jù)放入接收緩沖區(qū)。這樣，當服務器端需要讀取指定客戶端的數(shù)據(jù)時，則可以利用ESTABLISHED套接字通過recv或者read函數(shù)到緩沖區(qū)里面去取指定的數(shù)據(jù)，這樣就可以保證響應會發(fā)送到正確的客戶端。
上面提到客戶端主機會為發(fā)起連接的進程分配一個隨機端口去創(chuàng)建一個socket，而server的進程則會為每個連接創(chuàng)建一個新的socket。因此對于客戶端而言，由于端口最多只有65535個，其中還有1024個是不準用戶程序用的，那么最多只能有64512個并發(fā)連接。對于服務端而言，并發(fā)連接的總量受到一個進程能夠打開的文件句柄數(shù)的限制，因為socket也是文件的一種，每個socket都有一個文件描述符（FD，file descriptor），進程每創(chuàng)建一個socket都會打開一個文件句柄。該上限可以通過ulimt -n查看，通過增加ulimit可以增加server的并發(fā)連接上限。本例的server機器的ulimit為：
#?ulimit?-n 1024
上面講了半天服務端與客戶端的socket創(chuàng)建，現(xiàn)在我們來看看服務端與客戶端的socket通信。還記得我們的server可以響應3個命令嗎，分別是ping，echo和quit，我們來試試：
#?telnet?localhost?1208 Trying?127.0.0.1... Connected?to?localhost. Escape?character?is?'^]'. ping pong echo?Hello,socket Hello,socket quit Connection?closed?by?foreign?host.
我們可以看到client與server通過socket的通信。
到此為止，我們來總結(jié)下從telnet發(fā)起連接，到客戶端發(fā)出ping，服務端響應pong，到最后客戶端quit，連接斷開的整個過程：
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telnet發(fā)起向localhost:1208發(fā)起連接請求；
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server通過socket: TCP *:1208 (LISTEN)收到請求數(shù)據(jù)包，進行accept處理；
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server返回socket信息給客戶端，客戶端收到server socket信息，為客戶端進程分配一個隨機端口51090，然后創(chuàng)建socket: TCP localhost:51090->localhost:1208 來連接服務端；
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服務端進程創(chuàng)建一個新的socket: TCP localhost:1208->localhost:51090來連接客戶端；
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客戶端發(fā)出ping，ping數(shù)據(jù)包send到socket: TCP localhost:51090->localhost:1208 ；
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服務端通過socket: TCP localhost:1208->localhost:51090收到ping數(shù)據(jù)包，返回pong，pong數(shù)據(jù)包又通過原路返回到客戶端 ，完成一次通信。
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客戶端進程發(fā)起quit請求，通過上述相同的socket路徑到達服務端后，服務端切斷連接，服務端刪除socket: TCP localhost:1208->localhost:51090釋放文件句柄；客戶端刪除 socket: TCP localhost:51090->localhost:1208，釋放端口 51090。
在上述過程中，socket到socket之間還要經(jīng)過操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡棧等過程，這里就不做細致描述。
2. Unix domain socket實踐
我們知道docker使用的是client-server架構(gòu)，用戶通過docker client輸入命令，client將命令轉(zhuǎn)達給docker daemon去執(zhí)行。docker daemon會監(jiān)聽一個unix domain socket來與其他進程通信，默認路徑為/var/run/docker.sock。我們來看看這個文件：
#?ls?-l?/var/run/docker.sock? srw-rw----?1?root?docker?0?Aug?31?01:19?/var/run/docker.sock
可以看到它的Linux文件類型是“s”，也就是socket。通過這個socket，我們可以直接調(diào)用docker daemon的API進行操作，接下來我們通過docker.sock調(diào)用API來運行一個nginx容器，相當于在docker client上執(zhí)行：
#?docker?run?nginx
與在docker client上一行命令搞定不同的是，通過API的形式運行容器需要2步：創(chuàng)建容器和啟動容器。
1. 創(chuàng)建nginx容器，我們使用curl命令調(diào)用docker API，通過–unix-socket /var/run/docker.sock指定Unix domain socket。首先調(diào)用/containers/create，并傳入?yún)?shù)指定鏡像為nginx，如下：
#?curl?-XPOST?--unix-socket?/var/run/docker.sock?-d?'{"Image":"nginx"}'?-H?'Content-Type:?application/json'?http://localhost/containers/create {"Id":"67bfc390d58f7ba9ac808d3fc948a5d4e29395e94288a7588ec3523af6806e1a","Warnings":[]}
2. 啟動容器，通過上一步創(chuàng)建容器返回的容器id，我們來啟動這個nginx：
# curl -XPOST –unix-socket /var/run/docker.sock http://localhost/containers/67bfc390d58f7ba9ac808d3fc948a5d4e29395e94288a7588ec3523af6806e1a/start
#?docker?container?ls CONTAINER?ID????????IMAGE?????????????????????????COMMAND??????????????????CREATED??????????????STATUS??????????????PORTS??????????????????NAMES 67bfc390d58f????????nginx?????????????????????????"/docker-entrypoint.…"???About?a?minute?ago???Up?7?seconds????????80/tcp?????????????????romantic_heisenberg
至此，通過Unix domain socket我們實現(xiàn)了客戶端進程curl與服務端進程docker daemon間的通信，并成功地調(diào)用了docker API運行了一個nginx container。
值得注意的是，在連接服務端的Unix domain socket的時候，我們直接指定的是服務端的socket文件。而在使用Internet domain socket的時候，我們指定的是服務端的IP地址和端口號。
總結(jié)
Socket是Linux跨進程通信方式的一種。它不僅僅可以做到同一臺主機內(nèi)跨進程通信，它還可以做到不同主機間的跨進程通信。根據(jù)通信域的不同可以劃分成2種：Unix domain socket 和 Internet domain socket。
Internet domain socket根據(jù)通信協(xié)議劃分成3種：流式套接字(SOCK_STREAM)，數(shù)據(jù)報套接字(SOCK_DGRAM)及原始套接字
一個完整的Socket的組成應該是由[協(xié)議，本地地址，本地端口，遠程地址，遠程端口]組成的一個5維數(shù)組。
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