上一節(jié)签餐，我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)最小可運(yùn)行版本。之所以使用Rust而不是C愚战，是因?yàn)镽ust具備了必要的抽象能力娇唯，還能獲得跟C差不多的性能。這一節(jié)寂玲，我們對(duì)上一節(jié)的代碼做必要的封裝塔插，順便還能把unsafe的代碼包裝成safe的API。

我將上一節(jié)的源碼放到了這里拓哟，你可以去查看想许。

還記得上一節(jié)，我們把使用到的libc中的函數(shù)socket断序、bind流纹、connect和結(jié)構(gòu)體sockaddr、sockaddr_in违诗、in_addr等漱凝，在Rust這邊定義了出來(lái)。實(shí)際上诸迟，幾乎libc中的函數(shù)茸炒，libc這個(gè)crate都幫我們定義好了愕乎。你可以去這里查看。編譯器和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)本身也使用了這個(gè)crate壁公，我們也使用這個(gè)感论。

首先在Cargo.toml文件的[dependencies]下面加入libc = "0.2":

[dependencies]
libc = "0.2"

接著在main.rs文件上方加入use libc;，也可以use libc as c;紊册”纫蓿或者你直接簡(jiǎn)單粗暴use libc::*，并不推薦這樣湿硝，除非你明確知道你使用的函數(shù)來(lái)自哪里薪前。并將我們定義的與libc中對(duì)用的常量、函數(shù)关斜、結(jié)構(gòu)體刪除示括。再添加libc::或c::到我們使用那些常量、結(jié)構(gòu)體痢畜、函數(shù)的地方垛膝。如果你是直接use libc::*，除了直接刪除那部分代碼外丁稀，幾乎什么都不用做吼拥。目前的代碼：

use std::ffi::c_void;
use libc as c;

fn main() {
    use std::io::Error;
    use std::mem;
    use std::thread;
    use std::time::Duration;

    thread::spawn(|| {

        // server
        unsafe {
            let socket = c::socket(c::AF_INET, c::SOCK_STREAM, c::IPPROTO_TCP);
            if socket < 0 {
                panic!("last OS error: {:?}", Error::last_os_error());
            }

            let servaddr = c::sockaddr_in {
                sin_family: c::AF_INET as u16,
                sin_port: 8080u16.to_be(),
                sin_addr: c::in_addr {
                    s_addr: u32::from_be_bytes([127, 0, 0, 1]).to_be()
                },
                sin_zero: mem::zeroed()
            };

            let result = c::bind(socket, &servaddr as *const c::sockaddr_in as *const c::sockaddr, mem::size_of_val(&servaddr) as u32);
            if result < 0 {
                println!("last OS error: {:?}", Error::last_os_error());
                c::close(socket);
            }

            c::listen(socket, 128);

            loop {
                let mut cliaddr: c::sockaddr_storage = mem::zeroed();
                let mut len = mem::size_of_val(&cliaddr) as u32;

                let client_socket = c::accept(socket, &mut cliaddr as *mut c::sockaddr_storage as *mut c::sockaddr, &mut len);
                if client_socket < 0 {
                    println!("last OS error: {:?}", Error::last_os_error());
                    break;
                }

                thread::spawn(move || {
                    loop {
                        let mut buf = [0u8; 64];
                        let n = c::read(client_socket, &mut buf as *mut _ as *mut c_void, buf.len());
                        if n <= 0 {
                            break;
                        }

                        println!("{:?}", String::from_utf8_lossy(&buf[0..n as usize]));

                        let msg = b"Hi, client!";
                        let n = c::write(client_socket, msg as *const _ as *const c_void, msg.len());
                        if n <= 0 {
                            break;
                        }
                    }

                    c::close(client_socket);
                });
            }

            c::close(socket);
        }

    });

    thread::sleep(Duration::from_secs(1));

    // client
    unsafe {
        let socket = c::socket(c::AF_INET, c::SOCK_STREAM, c::IPPROTO_TCP);
        if socket < 0 {
            panic!("last OS error: {:?}", Error::last_os_error());
        }

        let servaddr = c::sockaddr_in {
            sin_family: c::AF_INET as u16,
            sin_port: 8080u16.to_be(),
            sin_addr: c::in_addr {
                s_addr: u32::from_be_bytes([127, 0, 0, 1]).to_be()
            },
            sin_zero: mem::zeroed()
        };

        let result = c::connect(socket, &servaddr as *const c::sockaddr_in as *const c::sockaddr, mem::size_of_val(&servaddr) as u32);
        if result < 0 {
            println!("last OS error: {:?}", Error::last_os_error());
            c::close(socket);
        }

        let msg = b"Hello, server!";
        let n = c::write(socket, msg as *const _ as *const c_void, msg.len());
        if n <= 0 {
            println!("last OS error: {:?}", Error::last_os_error());
            c::close(socket);
        }

        let mut buf = [0u8; 64];
        let n = c::read(socket, &mut buf as *mut _ as *mut c_void, buf.len());
        if n <= 0 {
            println!("last OS error: {:?}", Error::last_os_error());
        }

        println!("{:?}", String::from_utf8_lossy(&buf[0..n as usize]));

        c::close(socket);
    }
}

你編譯運(yùn)行，應(yīng)該能得到與上一節(jié)同樣的結(jié)果线衫。

接下來(lái)凿可，我們嘗試把上面代碼中函數(shù)，封裝成更具Rust風(fēng)格的API授账，除了TCP外枯跑，也還要考慮之后把UDP、UNIX域和SCTP也增加進(jìn)來(lái)白热。同時(shí)敛助，我們跟標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里 net相關(guān)的API保持一致的風(fēng)格。我們暫時(shí)不考慮跨平臺(tái)屋确，只考慮Linux纳击，因此可以大膽的將一些linux獨(dú)有的API添加進(jìn)來(lái)。

UNIX中一切皆文件攻臀，套接字也不例外焕数。字節(jié)流套接字上的read和write函數(shù)所表現(xiàn)出來(lái)的行為，不同于通常的文件I/O茵烈。字節(jié)流套接字上調(diào)用read和write輸入或輸出字節(jié)數(shù)可能比請(qǐng)求的要少百匆，這個(gè)現(xiàn)象的原因在于內(nèi)核中用于套接字的緩沖區(qū)可能已經(jīng)達(dá)到了極限。不過(guò)呜投，這并不是我們正真關(guān)心的加匈。我們來(lái)看看標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中 File的實(shí)現(xiàn)：

pub struct File(FileDesc);

impl File {
    ...
    pub fn read(&self, buf: &mut [u8]) -> io::Result<usize> {
            self.0.read(buf)
    }

    pub fn write(&self, buf: &[u8]) -> io::Result<usize> {
            self.0.write(buf)
    }

    pub fn duplicate(&self) -> io::Result<File> {
            self.0.duplicate().map(File)
    }
    ...
}

File 是一個(gè)元組結(jié)構(gòu)體，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了read和write仑荐，以及duplicate雕拼。duplicate很有用，用于復(fù)制出一個(gè)新的描述符粘招。我們繼續(xù)看File中"包裹的FileDesc:

pub struct FileDesc {
    fd: c_int,
}

impl File {
    ...
    pub fn read(&self, buf: &mut [u8]) -> io::Result<usize> {
            let ret = cvt(unsafe {
            libc::read(self.fd,
                       buf.as_mut_ptr() as *mut c_void,
                       cmp::min(buf.len(), max_len()))
            })?;
            Ok(ret as usize)
    }

    pub fn write(&self, buf: &[u8]) -> io::Result<usize> {
            let ret = cvt(unsafe {
                    libc::write(self.fd,
                        buf.as_ptr() as *const c_void,
                        cmp::min(buf.len(), max_len()))
            })?;
            Ok(ret as usize)
    }

    pub fn set_cloexec(&self) -> io::Result<()> {
            unsafe {
                    cvt(libc::ioctl(self.fd, libc::FIOCLEX))?;
                    Ok(())
            }
    }

    pub fn set_nonblocking(&self, nonblocking: bool) -> io::Result<()> {
            unsafe {
                 let v = nonblocking as c_int;
                    cvt(libc::ioctl(self.fd, libc::FIONBIO, &v))?;
                    Ok(())
            }
    }
}

這一層應(yīng)該是到頭了啥寇，你可以看到，Rust中的File也是直接對(duì)libc的封裝洒扎，不過(guò)你不用擔(dān)心辑甜，一開(kāi)始就提到，Rust 的ABI與C的ABI是兼容的袍冷，也就意味著Rust和C互相調(diào)用是幾乎是零開(kāi)銷的磷醋。FileDesc的read和write中的實(shí)現(xiàn)，與我們之前對(duì)sockfd的read和write基本是一樣的胡诗。除了read和write外邓线，還有兩個(gè)很有用的方法set_cloexec和set_nonblocking。

我把“依附于”某個(gè)類型的函數(shù)叫做方法煌恢，與普通函數(shù)不同的是骇陈，依附于某個(gè)類型的函數(shù)，必須通過(guò)它所依附的類型調(diào)用瑰抵。Rust通過(guò)這種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)OOP你雌，但是與某些語(yǔ)言的OOP不同的是，Rust的這種實(shí)現(xiàn)是零開(kāi)銷的二汛。也就是婿崭，你將一些函數(shù)依附到某個(gè)類型上，并不會(huì)對(duì)運(yùn)行時(shí)造成額外的開(kāi)銷习贫，這些都在編譯時(shí)去處理逛球。

set_cloexec方法會(huì)對(duì)描述符設(shè)置FD_CLOEXEC。我們經(jīng)常會(huì)碰到需要fork子進(jìn)程的情況苫昌，而且子進(jìn)程很可能會(huì)繼續(xù)exec新的程序颤绕。對(duì)描述符設(shè)置FD_CLOEXEC，就意味著祟身，我們fork子進(jìn)程時(shí)奥务，父子進(jìn)程中相同的文件描述符指向系統(tǒng)文件表的同一項(xiàng)，但是袜硫，我們?nèi)绻{(diào)用exec執(zhí)行另一個(gè)程序氯葬，此時(shí)會(huì)用全新的程序替換子進(jìn)程的正文。為了較少不必要的麻煩婉陷，我們以后要對(duì)打開(kāi)的描述符設(shè)置FD_CLOEXEC帚称，除非遇到特殊情況官研。

set_nonblocking用于將描述符設(shè)置為非阻塞模式，如果我們要使用poll闯睹、epoll等api的話戏羽。

既然標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)已經(jīng)封裝好了FileDesc，我想直接使用的楼吃，然而FileDesc在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)之外是不可見(jiàn)的始花。如果使用File的話，set_cloexec 和 set_nonblocking 還是要我們?cè)賹懸淮魏⑽?code>File并不是“我自己”的類型酷宵，我沒(méi)法直接給File附加方法，為此還需要一個(gè)額外的Tarit或者用一個(gè)“我自己”的類型躬窜，去包裹它浇垦。挺繞的。那既然這樣斩披，我們還是自己來(lái)吧溜族。不過(guò)我們已經(jīng)有了參考，可以將標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)里的FileDecs直接復(fù)制出來(lái)垦沉，然后去掉與Linux無(wú)關(guān)的代碼煌抒，當(dāng)然你也可以自由發(fā)揮一下。

要注意的是厕倍，這段代碼中還調(diào)用了一個(gè)函數(shù)cvt寡壮，我們把相關(guān)代碼也復(fù)制過(guò)來(lái)：

use std::io::{self, ErrorKind};

#[doc(hidden)]
pub trait IsMinusOne {
    fn is_minus_one(&self) -> bool;
}

macro_rules! impl_is_minus_one {
    ($($t:ident)*) => ($(impl IsMinusOne for $t {
        fn is_minus_one(&self) -> bool {
            *self == -1
        }
    })*)
}

impl_is_minus_one! { i8 i16 i32 i64 isize }

pub fn cvt<T: IsMinusOne>(t: T) -> io::Result<T> {
    if t.is_minus_one() {
        Err(io::Error::last_os_error())
    } else {
        Ok(t)
    }
}

pub fn cvt_r<T, F>(mut f: F) -> io::Result<T>
    where T: IsMinusOne,
          F: FnMut() -> T
{
    loop {
        match cvt(f()) {
            Err(ref e) if e.kind() == ErrorKind::Interrupted => {}
            other => return other,
        }
    }
}

還記得上一節(jié)我們使用過(guò)的last_os_error()方法么，這段代碼通過(guò)宏impl_is_minus_one為 i32等常見(jiàn)類型實(shí)現(xiàn)了IsMinusOne這個(gè)Tarit讹弯，然后我們就可以使用cvt函數(shù)更便捷得調(diào)用last_os_error()取得錯(cuò)誤况既。 我將這段代碼放到util.rs文件中，并在main.rs文件上方加入pub mod util;

然后再來(lái)看FileDesc最終的實(shí)現(xiàn)：

use std::mem;
use std::io;
use std::cmp;
use std::os::unix::io::FromRawFd;

use libc as c;

use crate::util::cvt;

#[derive(Debug)]
pub struct FileDesc(c::c_int);

pub fn max_len() -> usize {
    <c::ssize_t>::max_value() as usize
}

impl FileDesc {
    pub fn raw(&self) -> c::c_int {
        self.0
    }

    pub fn into_raw(self) -> c::c_int {
        let fd = self.0;
        mem::forget(self);
        fd
    }

    pub fn read(&self, buf: &mut [u8]) -> io::Result<usize> {
        let ret = cvt(unsafe {
            c::read(
                self.0,
                buf.as_mut_ptr() as *mut c::c_void,
                cmp::min(buf.len(), max_len())
            )
        })?;

        Ok(ret as usize)
    }

    pub fn write(&self, buf: &[u8]) -> io::Result<usize> {
        let ret = cvt(unsafe {
            c::write(
                self.0,
                buf.as_ptr() as *const c::c_void,
                cmp::min(buf.len(), max_len())
            )
        })?;

        Ok(ret as usize)
    }

    pub fn get_cloexec(&self) -> io::Result<bool> {
        unsafe {
            Ok((cvt(libc::fcntl(self.0, c::F_GETFD))? & libc::FD_CLOEXEC) != 0)
        }
    }

    pub fn set_cloexec(&self) -> io::Result<()> {
        unsafe {
            cvt(c::ioctl(self.0, c::FIOCLEX))?;
            Ok(())
        }
    }

    pub fn set_nonblocking(&self, nonblocking: bool) -> io::Result<()> {
        unsafe {
            let v = nonblocking as c::c_int;
            cvt(c::ioctl(self.0, c::FIONBIO, &v))?;
            Ok(())
        }
    }

    pub fn duplicate(&self) -> io::Result<FileDesc> {
        cvt(unsafe { c::fcntl(self.0, c::F_DUPFD_CLOEXEC, 0) }).and_then(|fd| {
            let fd = FileDesc(fd);
            Ok(fd)
        })
    }
}

impl FromRawFd for FileDesc {
    unsafe fn from_raw_fd(fd: c::c_int) -> FileDesc {
        FileDesc(fd)
    }
}

impl Drop for FileDesc {
    fn drop(&mut self) {
        let _ = unsafe { c::close(self.0) };
    }
}

我已經(jīng)將與Linux不相關(guān)的代碼刪除掉了组民。之所以原有duplicate那么冗長(zhǎng)棒仍，是因?yàn)榕f的Linux內(nèi)核不支持F_DUPFD_CLOEXEC這個(gè)設(shè)置。fcntl這個(gè)函數(shù)臭胜，用來(lái)設(shè)置控制文件描述符的選項(xiàng)，我們稍后還會(huì)遇到用來(lái)設(shè)置和獲取套接字的getsockopt和setsockopt。還有read_at和write_at等實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的函數(shù)，我們用不到，也將他們刪除淫茵。還有impl<'a> Read for &'a FileDesc爪瓜，因?yàn)閮?nèi)部使了一個(gè)Unstable的API匙瘪，我也將其去掉了。

我自由發(fā)揮了一下蝶缀，把：

pub struct FileDesc {
    fd: c_int,
}

替換成了：

pub struct FileDesc(c::c_int);

它們是等效的鳍悠。不知你注意到?jīng)]有，我把pub fn new(...)函數(shù)給去掉了涧卵，因?yàn)檫@個(gè)函數(shù)是unsafe的----如果我們今后將這些代碼作為庫(kù)讓別人使用的話伐脖，他可能傳入了一個(gè)不存在的描述符巫俺，并由此可能引起程序崩潰----但他們并不一定知道撼港。我們可以通過(guò)在這個(gè)函數(shù)前面加unsafe來(lái)告訴使用者這個(gè)函數(shù)是unsafe的： pub unsafe fn new(...)。不過(guò)，Rust的開(kāi)發(fā)者們已經(jīng)考慮到了這一點(diǎn)赫段，我們用約定俗成的from_raw_fd來(lái)代替pub unsafe fn new(...)，于是才有了下面這一段：

impl FromRawFd for FileDesc {
    unsafe fn from_raw_fd(fd: c::c_int) -> FileDesc {
        FileDesc(fd)
    }
}

最后撩银，還利用Rust的drop實(shí)現(xiàn)了close函數(shù)给涕，也就意味著，描述符離開(kāi)作用域后，會(huì)自動(dòng)close够庙，就不再需要我們手動(dòng)close了恭应。與之先關(guān)的是into_raw方法，意思是把FileDesc轉(zhuǎn)換為“未加工的”或者說(shuō)是“裸的”描述符耘眨，也就是C的描述符昼榛。這個(gè)方法里面調(diào)用了forget，之后變量離開(kāi)作用域后剔难，就不會(huì)調(diào)用drop了胆屿。當(dāng)你使用這個(gè)方法拿到描述符，使用完請(qǐng)不要忘記手動(dòng)close或者再次from_raw_fd钥飞。

pub fn into_raw(self) -> c::c_int {
        let fd = self.0;
        mem::forget(self);
        fd
}

我將這段代碼放到了一個(gè)新的文件fd.rs中莺掠，并在main.rs文件上方加入pub mod fd;。

接著读宙，我們還需一個(gè)Socket類型，將socket楔绞、bind结闸、connect等函數(shù)附加上去。這一步應(yīng)該簡(jiǎn)單多了酒朵。同時(shí)你也會(huì)發(fā)現(xiàn)桦锄，我們已經(jīng)把unsafe的代碼，封裝成了safe的代碼蔫耽。

use std::io;
use std::mem;
use std::os::unix::io::{RawFd, AsRawFd, FromRawFd};

use libc as c;

use crate::fd::FileDesc;
use crate::util::cvt;

pub struct Socket(FileDesc);

impl Socket {
    pub fn new(family: c::c_int, ty: c::c_int, protocol: c::c_int) -> io::Result<Socket> {
        unsafe {
            cvt(c::socket(family, ty | c::SOCK_CLOEXEC, protocol))
                .map(|fd| Socket(FileDesc::from_raw_fd(fd)))
        }
    }

    pub fn bind(&self, storage: *const c::sockaddr, len: c::socklen_t) -> io::Result<()> {
        self.setsockopt(c::SOL_SOCKET, c::SO_REUSEADDR, 1)?;

        cvt(unsafe { c::bind(self.0.raw(), storage, len) })?;

        Ok(())
    }

    pub fn listen(&self, backlog: c::c_int) -> io::Result<()> {
        cvt(unsafe { c::listen(self.0.raw(), backlog) })?;
        Ok(())
    }

    pub fn accept(&self, storage: *mut c::sockaddr, len: *mut c::socklen_t) -> io::Result<Socket> {
        let fd = cvt(unsafe { c::accept4(self.0.raw(), storage, len, c::SOCK_CLOEXEC) })?;
        Ok(Socket(unsafe { FileDesc::from_raw_fd(fd) }))
    }

    pub fn connect(&self, storage: *const c::sockaddr, len: c::socklen_t) -> io::Result<()> {
        cvt(unsafe { c::connect(self.0.raw(), storage, len) })?;
        Ok(())
    }

    pub fn read(&self, buf: &mut [u8]) -> io::Result<usize> {
        self.0.read(buf)
    }

    pub fn write(&self, buf: &[u8]) -> io::Result<usize> {
        self.0.write(buf)
    }

    pub fn set_nonblocking(&self, nonblocking: bool) -> io::Result<()> {
        self.0.set_nonblocking(nonblocking)
    }

    pub fn get_cloexec(&self) -> io::Result<bool> {
        self.0.get_cloexec()
    }

    pub fn set_cloexec(&self) -> io::Result<()> {
        self.0.set_cloexec()
    }

    pub fn setsockopt<T>(&self, opt: libc::c_int, val: libc::c_int, payload: T) -> io::Result<()> {
        unsafe {
            let payload = &payload as *const T as *const libc::c_void;

            cvt(libc::setsockopt(
                self.0.raw(),
                opt,
                val,
                payload,
                mem::size_of::<T>() as libc::socklen_t
            ))?;

            Ok(())
        }
    }

    pub fn getsockopt<T: Copy>(&self, opt: libc::c_int, val: libc::c_int) -> io::Result<T> {
        unsafe {
            let mut slot: T = mem::zeroed();
            let mut len = mem::size_of::<T>() as libc::socklen_t;

            cvt(libc::getsockopt(
                self.0.raw(),
                opt,
                val,
                &mut slot as *mut T as *mut libc::c_void,
                &mut len
            ))?;

            assert_eq!(len as usize, mem::size_of::<T>());
            Ok(slot)
        }
    }
}

impl FromRawFd for Socket {
    unsafe fn from_raw_fd(fd: RawFd) -> Socket {
        Socket(FileDesc::from_raw_fd(fd))
    }
}

impl AsRawFd for Socket {
    fn as_raw_fd(&self) -> RawFd {
        self.0.raw()
    }
}

我已經(jīng)將上一節(jié)中我們使用到的socket相關(guān)的主要的5個(gè)函數(shù)结耀，外加read，write匙铡，等幾個(gè)描述符設(shè)置的函數(shù)图甜，“依附”到了Socket上。保存在 socket.rs文件里鳖眼。

要說(shuō)明的是黑毅，我在new和accept方法中，通過(guò)flags直接為新創(chuàng)建的描述符設(shè)置了SOCK_CLOEXEC選項(xiàng)钦讳，如果不想一步設(shè)置的話矿瘦，就需要?jiǎng)?chuàng)建出描述符后，再調(diào)用set_cloexec方法愿卒。bind中缚去，在調(diào)用c::bind之前，我給套接字設(shè)置了個(gè)選項(xiàng)SO_REUSEADDR琼开，意為允許重用本地地址易结，這里不展開(kāi)講，如果你細(xì)心的話就會(huì)發(fā)現(xiàn)，上一節(jié)的例子衬衬，如果沒(méi)有正常關(guān)閉socket的話买猖，就可能會(huì)出現(xiàn)error:98，Address already in use滋尉，等一會(huì)兒才會(huì)好玉控。accept4不是個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的方法，只有Linux才支持狮惜，我們暫時(shí)不考慮兼容性高诺。setsockopt和getsockopt方法中涉及到了類型轉(zhuǎn)換，結(jié)合前面的例子碾篡，這里應(yīng)該難不倒你了虱而。除了from_raw_fd，我還又給Socket實(shí)現(xiàn)了又一個(gè)約定俗成的方法as_raw_fd开泽。

我已經(jīng)將遠(yuǎn)嗎放到了這里牡拇，你可以去查看。你還可以嘗試將上一節(jié)的例子穆律，修改成我們今天封裝的Socket惠呼。這一節(jié)到這里就結(jié)束了。