從一個(gè)例子開始

我們先從一個(gè)客戶端例子開始大溜，在這個(gè)例子中织中，客戶端在 UDP 套接字上調(diào)用 connect 函數(shù)苗缩，之后將標(biāo)準(zhǔn)輸入的字符串發(fā)送到服務(wù)器端崭参，并從服務(wù)器端接收處理后的報(bào)文相寇。當(dāng)然慰于，和服務(wù)器端發(fā)送和接收?qǐng)?bào)文是通過(guò)調(diào)用函數(shù) sendto 和 recvfrom 來(lái)完成的。

#include "lib/common.h"
# define    MAXLINE     4096

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: udpclient1 <IPaddress>");
    }

    int socket_fd;
    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr);

    socklen_t server_len = sizeof(server_addr);

    if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *) &server_addr, server_len)) {
        error(1, errno, "connect failed");
    }

    struct sockaddr *reply_addr;
    reply_addr = malloc(server_len);

    char send_line[MAXLINE], recv_line[MAXLINE + 1];
    socklen_t len;
    int n;

    while (fgets(send_line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
        int i = strlen(send_line);
        if (send_line[i - 1] == '\n') {
            send_line[i - 1] = 0;
        }

        printf("now sending %s\n", send_line);
        size_t rt = sendto(socket_fd, send_line, strlen(send_line), 0, (struct sockaddr *) &server_addr, server_len);
        if (rt < 0) {
            error(1, errno, "sendto failed");
        }
        printf("send bytes: %zu \n", rt);
        
        len = 0;
        recv_line[0] = 0;
        n = recvfrom(socket_fd, recv_line, MAXLINE, 0, reply_addr, &len);
        if (n < 0)
            error(1, errno, "recvfrom failed");
        recv_line[n] = 0;
        fputs(recv_line, stdout);
        fputs("\n", stdout);
    }

    exit(0);
}

我對(duì)這個(gè)程序做一個(gè)簡(jiǎn)單的解釋：

• 9-10 行創(chuàng)建了一個(gè) UDP 套接字唤衫；

• 12-16 行創(chuàng)建了一個(gè) IPv4 地址婆赠，綁定到指定端口和 IP；

• 20-22 行調(diào)用 connect 將 UDP 套接字和 IPv4 地址進(jìn)行了“綁定”，這里 connect 函數(shù)的名稱有點(diǎn)讓人誤解休里，其實(shí)可能更好的選擇是叫做 setpeername蛆挫；

• 31-55 行是程序的主體，讀取標(biāo)準(zhǔn)輸入字符串后妙黍，調(diào)用 sendto 發(fā)送給對(duì)端悴侵；之后調(diào)用 recvfrom 等待對(duì)端的響應(yīng)，并把對(duì)端響應(yīng)信息打印到標(biāo)準(zhǔn)輸出拭嫁。

在沒有開啟服務(wù)端的情況下可免，我們運(yùn)行一下這個(gè)程序：

$ ./udpconnectclient 127.0.0.1
g1
now sending g1
send bytes: 2
recvfrom failed: Connection refused (111)

看到這里你會(huì)不會(huì)覺得很奇怪？不是說(shuō)好 UDP 是“無(wú)連接”的協(xié)議嗎做粤？不是說(shuō)好 UDP 客戶端只會(huì)阻塞在 recvfrom 這樣的調(diào)用上嗎浇借？怎么這里冒出一個(gè)“Connection refused”的錯(cuò)誤呢？

UDP connect 的作用

從前面的例子中怕品，你會(huì)發(fā)現(xiàn)妇垢，我們可以對(duì) UDP 套接字調(diào)用 connect 函數(shù)，但是和 TCP connect 調(diào)用引起 TCP 三次握手肉康，建立 TCP 有效連接不同闯估，UDP connect 函數(shù)的調(diào)用，并不會(huì)引起和服務(wù)器目標(biāo)端的網(wǎng)絡(luò)交互迎罗，也就是說(shuō)睬愤，并不會(huì)觸發(fā)所謂的”握手“報(bào)文發(fā)送和應(yīng)答。

那么對(duì) UDP 套接字進(jìn)行 connect 操作到底有什么意義呢纹安？

其實(shí)上面的例子已經(jīng)給出了答案尤辱，這主要是為了讓應(yīng)用程序能夠接收”異步錯(cuò)誤“的信息。

如果我們回想一下第 6 篇不調(diào)用 connect 操作的客戶端程序厢岂，在服務(wù)器端不開啟的情況下光督，客戶端程序是不會(huì)報(bào)錯(cuò)的，程序只會(huì)阻塞在 recvfrom 上塔粒，等待返回（或者超時(shí)）结借。

在這里，我們通過(guò)對(duì) UDP 套接字進(jìn)行 connect 操作卒茬，將 UDP 套接字建立了”上下文“船老，該套接字和服務(wù)器端的地址和端口產(chǎn)生了聯(lián)系，正是這種綁定關(guān)系給了操作系統(tǒng)內(nèi)核必要的信息圃酵，能夠?qū)⒉僮飨到y(tǒng)內(nèi)核收到的信息和對(duì)應(yīng)的套接字進(jìn)行關(guān)聯(lián)柳畔。

我們可以展開討論一下。

事實(shí)上郭赐，當(dāng)我們調(diào)用 sendto 或者 send 操作函數(shù)時(shí)薪韩，應(yīng)用程序報(bào)文被發(fā)送，我們的應(yīng)用程序返回，操作系統(tǒng)內(nèi)核接管了該報(bào)文俘陷，之后操作系統(tǒng)開始嘗試往對(duì)應(yīng)的地址和端口發(fā)送罗捎，因?yàn)閷?duì)應(yīng)的地址和端口不可達(dá)，一個(gè) ICMP 報(bào)文會(huì)返回給操作系統(tǒng)內(nèi)核拉盾，該 ICMP 報(bào)文含有目的地址和端口等信息桨菜。

如果我們不進(jìn)行 connect 操作，建立（UDP 套接字——目的地址 + 端口）之間的映射關(guān)系捉偏，操作系統(tǒng)內(nèi)核就沒有辦法把 ICMP 不可達(dá)的信息和 UDP 套接字進(jìn)行關(guān)聯(lián)雷激，也就沒有辦法將 ICMP 信息通知給應(yīng)用程序。

如果我們進(jìn)行了 connect 操作告私，幫助操作系統(tǒng)內(nèi)核從容建立了（UDP 套接字——目的地址 + 端口）之間的映射關(guān)系屎暇，當(dāng)收到一個(gè) ICMP 不可達(dá)報(bào)文時(shí)，操作系統(tǒng)內(nèi)核可以從映射表中找出是哪個(gè) UDP 套接字擁有該目的地址和端口驻粟，別忘了套接字在操作系統(tǒng)內(nèi)部是全局唯一的根悼，當(dāng)我們?cè)谠撎捉幼稚显俅握{(diào)用 recvfrom 或 recv 方法時(shí)，就可以收到操作系統(tǒng)內(nèi)核返回的”Connection Refused“的信息蜀撑。

收發(fā)函數(shù)

在對(duì) UDP 進(jìn)行 connect 之后挤巡，關(guān)于收發(fā)函數(shù)的使用，很多書籍是這樣推薦的：

• 使用 send 或 write 函數(shù)來(lái)發(fā)送酷麦，如果使用 sendto 需要把相關(guān)的 to 地址信息置零
• 使用 recv 或 read 函數(shù)來(lái)接收矿卑，如果使用 recvfrom 需要把對(duì)應(yīng)的 from 地址信息置零。

其實(shí)不同的 UNIX 實(shí)現(xiàn)對(duì)此表現(xiàn)出來(lái)的行為不盡相同沃饶。

在我的 Linux 4.4.0 環(huán)境中母廷，使用 sendto 和 recvfrom，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)忽略 to 和 from 信息糊肤。在我的 macOS 10.13 中琴昆，確實(shí)需要遵守這樣的規(guī)定，使用 sendto 或 recvfrom 會(huì)得到一些奇怪的結(jié)果馆揉，切回 send 和 recv 后正常业舍。

考慮到兼容性，我們也推薦這些常規(guī)做法升酣。所以在接下來(lái)的程序中舷暮，我會(huì)使用這樣的做法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

服務(wù)器端 connect 的例子

一般來(lái)說(shuō)噩茄，服務(wù)器端不會(huì)主動(dòng)發(fā)起 connect 操作下面，因?yàn)橐坏┤绱耍?wù)器端就只能響應(yīng)一個(gè)客戶端了巢墅。不過(guò)诸狭，有時(shí)候也不排除這樣的情形，一旦一個(gè)客戶端和服務(wù)器端發(fā)送 UDP 報(bào)文之后君纫，該服務(wù)器端就要服務(wù)于這個(gè)唯一的客戶端驯遇。

一個(gè)類似的服務(wù)器端程序如下：

#include "lib/common.h"

static int count;

static void recvfrom_int(int signo) {
    printf("\nreceived %d datagrams\n", count);
    exit(0);
}

int main(int argc, char **argv) {
    int socket_fd;
    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);

    bind(socket_fd, (struct sockaddr *) &server_addr, sizeof(server_addr));

    socklen_t client_len;
    char message[MAXLINE];
    message[0] = 0;
    count = 0;

    signal(SIGINT, recvfrom_int);

    struct sockaddr_in client_addr;
    client_len = sizeof(client_addr);

    int n = recvfrom(socket_fd, message, MAXLINE, 0, (struct sockaddr *) &client_addr, &client_len);
    if (n < 0) {
        error(1, errno, "recvfrom failed");
    }
    message[n] = 0;
    printf("received %d bytes: %s\n", n, message);

    if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *) &client_addr, client_len)) {
        error(1, errno, "connect failed");
    }

    while (strncmp(message, "goodbye", 7) != 0) {
        char send_line[MAXLINE];
        sprintf(send_line, "Hi, %s", message);

        size_t rt = send(socket_fd, send_line, strlen(send_line), 0);
        if (rt < 0) {
            error(1, errno, "send failed ");
        }
        printf("send bytes: %zu \n", rt);

        size_t rc = recv(socket_fd, message, MAXLINE, 0);
        if (rc < 0) {
            error(1, errno, "recv failed");
        }
        
        count++;
    }

    exit(0);
}

我對(duì)這個(gè)程序做下解釋：

• 11-12 行創(chuàng)建 UDP 套接字；
• 14-18 行創(chuàng)建 IPv4 地址蓄髓，綁定到 ANY 和對(duì)應(yīng)端口叉庐；
• 20 行綁定 UDP 套接字和 IPv4 地址；
• 27 行為該程序注冊(cè)一個(gè)信號(hào)處理函數(shù)会喝，以響應(yīng) Ctrl+C 信號(hào)量操作陡叠；
• 32-37 行調(diào)用 recvfrom 等待客戶端報(bào)文到達(dá)，并將客戶端信息保持到 client_addr 中肢执；
• 39-41 行調(diào)用 connect 操作枉阵，將 UDP 套接字和客戶端 client_addr 進(jìn)行綁定；
• 43-59 行是程序的主體预茄，對(duì)接收的信息進(jìn)行重新處理兴溜，加上”Hi“前綴后發(fā)送給客戶端，并持續(xù)不斷地從客戶端接收?qǐng)?bào)文耻陕，該過(guò)程一直持續(xù)拙徽，直到客戶端發(fā)送”goodbye“報(bào)文為止。

注意這里所有收發(fā)函數(shù)都使用了 send 和 recv诗宣。

接下來(lái)我們實(shí)現(xiàn)一個(gè) connect 的客戶端程序：

#include "lib/common.h"
# define    MAXLINE     4096

int main(int argc, char **argv) {
    if (argc != 2) {
        error(1, 0, "usage: udpclient3 <IPaddress>");
    }

    int socket_fd;
    socket_fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);

    struct sockaddr_in server_addr;
    bzero(&server_addr, sizeof(server_addr));
    server_addr.sin_family = AF_INET;
    server_addr.sin_port = htons(SERV_PORT);
    inet_pton(AF_INET, argv[1], &server_addr.sin_addr);

    socklen_t server_len = sizeof(server_addr);

    if (connect(socket_fd, (struct sockaddr *) &server_addr, server_len)) {
        error(1, errno, "connect failed");
    }

    char send_line[MAXLINE], recv_line[MAXLINE + 1];
    int n;

    while (fgets(send_line, MAXLINE, stdin) != NULL) {
        int i = strlen(send_line);
        if (send_line[i - 1] == '\n') {
            send_line[i - 1] = 0;
        }

        printf("now sending %s\n", send_line);
        size_t rt = send(socket_fd, send_line, strlen(send_line), 0);
        if (rt < 0) {
            error(1, errno, "send failed ");
        }
        printf("send bytes: %zu \n", rt);

        recv_line[0] = 0;
        n = recv(socket_fd, recv_line, MAXLINE, 0);
        if (n < 0)
            error(1, errno, "recv failed");
        recv_line[n] = 0;
        fputs(recv_line, stdout);
        fputs("\n", stdout);
    }

    exit(0);
}

我對(duì)這個(gè)客戶端程序做一下解讀：

• 9-10 行創(chuàng)建了一個(gè) UDP 套接字膘怕；

• 12-16 行創(chuàng)建了一個(gè) IPv4 地址，綁定到指定端口和 IP召庞；

• 20-22 行調(diào)用 connect 將 UDP 套接字和 IPv4 地址進(jìn)行了“綁定”岛心；

• 27-46 行是程序的主體，讀取標(biāo)準(zhǔn)輸入字符串后篮灼，調(diào)用 send 發(fā)送給對(duì)端鹉梨；之后調(diào)用 recv 等待對(duì)端的響應(yīng)，并把對(duì)端響應(yīng)信息打印到標(biāo)準(zhǔn)輸出穿稳。

注意這里所有收發(fā)函數(shù)也都使用了 send 和 recv存皂。

接下來(lái)，我們先啟動(dòng)服務(wù)器端程序逢艘，然后依次開啟兩個(gè)客戶端旦袋，分別是客戶端 1、客戶端 2它改，并且讓客戶端 1 先發(fā)送 UDP 報(bào)文疤孕。

服務(wù)器端：

$ ./udpconnectserver
received 2 bytes: g1
send bytes: 6

客戶端 1：

 ./udpconnectclient2 127.0.0.1
g1
now sending g1
send bytes: 2
Hi, g1

客戶端 2：

./udpconnectclient2 127.0.0.1
g2
now sending g2
send bytes: 2
recv failed: Connection refused (111)

我們看到，客戶端 1 先發(fā)送報(bào)文央拖，服務(wù)端隨之通過(guò) connect 和客戶端 1 進(jìn)行了“綁定”祭阀，這樣鹉戚，客戶端 2 從操作系統(tǒng)內(nèi)核得到了 ICMP 的錯(cuò)誤，該錯(cuò)誤在 recv 函數(shù)中返回专控，顯示了“Connection refused”的錯(cuò)誤信息抹凳。

性能考慮

一般來(lái)說(shuō)，客戶端通過(guò) connect 綁定服務(wù)端的地址和端口伦腐，對(duì) UDP 而言赢底，可以有一定程度的性能提升。

這是為什么呢柏蘑？

因?yàn)槿绻皇褂?connect 方式幸冻，每次發(fā)送報(bào)文都會(huì)需要這樣的過(guò)程：

連接套接字→發(fā)送報(bào)文→斷開套接字→連接套接字→發(fā)送報(bào)文→斷開套接字 →………

而如果使用 connect 方式，就會(huì)變成下面這樣：

連接套接字→發(fā)送報(bào)文→發(fā)送報(bào)文→……→最后斷開套接字

我們知道咳焚，連接套接字是需要一定開銷的洽损，比如需要查找路由表信息。所以革半，UDP 客戶端程序通過(guò) connect 可以獲得一定的性能提升趁啸。

總結(jié)

在今天的內(nèi)容里，我對(duì) UDP 套接字調(diào)用 connect 方法進(jìn)行了深入的分析督惰。之所以對(duì) UDP 使用 connect不傅，綁定本地地址和端口，是為了讓我們的程序可以快速獲取異步錯(cuò)誤信息的通知赏胚，同時(shí)也可以獲得一定性能上的提升访娶。

原文

https://time.geekbang.org/column/article/129807