socketpair函数详解

socketpair() 是 Unix/Linux 系统中用于创建一对相互连接的匿名套接字的系统调用，专为 进程间通信 (IPC) 设计。这对套接字在创建后即处于连接状态，无需绑定地址或手动连接，特别适用于父子进程或线程间通信。

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函数原型

#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>

int socketpair(int domain, int type, int protocol, int sv[2]);

参数	说明
domain	协议族：通常为 AF_UNIX（本地通信）或 AF_LOCAL（同义）
type	套接字类型：SOCK_STREAM（流式）或 SOCK_DGRAM（数据报）
protocol	协议：通常为 0（自动选择）
sv[2]	用于存储两个套接字描述符的数组（输出参数）
返回值	成功返回 0，失败返回 -1 并设置 errno

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核心特性

1. 匿名连接
   • 套接字对在创建时已自动连接，无需调用 bind(), listen(), accept(), connect()。
2. 双向通信
   • 两个套接字均可读写（全双工）。
3. 高效 IPC
   • 数据在内核中直接传递，无需经过网络协议栈。
4. 无文件路径
   • 与命名 Unix 套接字不同，不会在文件系统中创建节点。

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使用场景

1. 父子进程通信
   • 父进程创建套接字对 → fork() → 父子进程各关闭一端 → 通过剩余套接字通信。
2. 线程间通信
   • 线程可直接通过套接字描述符交换数据。
3. 替代管道 (pipe)
   • 提供双向通信能力（管道是单向的）。

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使用步骤

1. 调用 socketpair() 创建套接字对
2. 根据场景关闭不需要的描述符
3. 通过 read()/write() 或 send()/recv() 通信
4. 通信完成后关闭所有描述符

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示例代码：父子进程通信

#include <sys/socket.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

int main() {
    int sv[2];  // 套接字对
    pid_t pid;
    char buf[128];

    // 1. 创建流式套接字对
    if (socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, sv) == -1) {
        perror("socketpair");
        exit(1);
    }

    // 2. 创建子进程
    pid = fork();
    if (pid < 0) {
        perror("fork");
        exit(1);
    }

    if (pid == 0) { // 子进程
        close(sv[0]);  // 关闭父进程端

        // 3. 向父进程发送消息
        const char *msg = "Hello from child";
        write(sv[1], msg, strlen(msg) + 1);

        // 4. 接收父进程回复
        read(sv[1], buf, sizeof(buf));
        printf("Child received: %s\n", buf);

        close(sv[1]);  // 关闭子进程端
        exit(0);
    } 
    else { // 父进程
        close(sv[1]);  // 关闭子进程端

        // 3. 接收子进程消息
        read(sv[0], buf, sizeof(buf));
        printf("Parent received: %s\n", buf);

        // 4. 回复子进程
        const char *reply = "Hello from parent";
        write(sv[0], reply, strlen(reply) + 1);

        close(sv[0]);  // 关闭父进程端
        wait(NULL);    // 等待子进程退出
    }
    return 0;
}

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关键参数详解

1. domain 协议族

• AF_UNIX / AF_LOCAL
  本地通信（进程间通信），唯一推荐选项（其他如 AF_INET 通常不支持）。

2. type 套接字类型

类型	特性
SOCK_STREAM	可靠、双向、面向连接的字节流（类似 TCP），无消息边界
SOCK_DGRAM	数据报服务（类似 UDP），保留消息边界 （在 AF_UNIX 中仍可靠）
扩展标志
SOCK_NONBLOCK	非阻塞模式（Linux 特有，如 `SOCK_STREAM
SOCK_CLOEXEC	执行 exec 时关闭描述符（避免泄漏）

3. protocol

• 固定为 0（系统自动选择协议）。

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与管道的对比

特性	socketpair()	pipe()
通信方向	双向（全双工）	单向（半双工）
数据流类型	流式/数据报	字节流
描述符数量	2 个（均可读写）	2 个（一个读，一个写）
进程关系	需继承描述符（通常用于父子进程）	同左
控制能力	支持非阻塞、信号驱动等高级选项	功能有限

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常见错误处理

if (socketpair(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0, sv) == -1) {
    switch(errno) {
        case EMFILE:  // 进程描述符耗尽
            perror("Too many open files");
            break;
        case EAFNOSUPPORT: // 不支持的协议族
            perror("Unsupported address family");
            break;
        case EPROTONOSUPPORT: // 不支持的协议
            perror("Unsupported protocol");
            break;
        default:
            perror("socketpair");
    }
    exit(EXIT_FAILURE);
}

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注意事项

1. 描述符关闭
   • 通信双方需显式关闭未使用的描述符（避免资源泄漏）。
2. 协议族限制
   • 可移植代码应仅使用 AF_UNIX（其他协议族如 AF_INET 可能不被支持）。
3. 阻塞与非阻塞
   • 默认阻塞模式，可通过 fcntl(fd, F_SETFL, O_NONBLOCK) 或 SOCK_NONBLOCK 标志设为非阻塞。
4. 进程关系
   • 套接字对只能在有亲缘关系的进程间继承（或通过 sendmsg() 传递描述符）。

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适用场景对比

场景	推荐方法
父子进程双向通信	socketpair()
无亲缘关系进程通信	命名 Unix 套接字
简单单向数据流（如日志）	pipe()
高性能 IPC（Linux 特有）	eventfd()/signalfd()

socketpair() 是进程间双向通信的轻量级解决方案，结合了管道的易用性和套接字的灵活性，尤其适合需要在亲缘进程间高效传递数据的场景。