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虽然标准库已经封装好了 TcpListener 和 TcpStream 等基础 api，但作为 Rust 的爱好者，我们可以去一探究竟。本文假设你已经对 Rust 和 Linux 操作系统有了一定了解。
在 Linux 上 Rust 默认会链接的系统的 libc 以及一些其他的库，这就意味着，你可以直接使用 libc 中的函数。比如，你可以使用 gethostname 获取你电脑的 “hostname”:
use std::os::raw::c_char;
use std::ffi::CStr;
extern {
pub fn gethostname(name: *mut c_char, len: usize) -> i32;
}
fn main() {
let len = 255;
let mut buf = Vec::<u8>::with_capacity(len);
let ptr = buf.as_mut_ptr() as *mut c_char;
unsafe {
gethostname(ptr, len);
println!(“{:?}”, CStr::from_ptr(ptr));
}
}
解释一下上面的代码。
extren 表示“外部块（External blocks）”，用来申明外部非 Rust 库中的符号。我们需要使用 Rust 以外的函数，比如 libc，就需要在 extren 中将需要用到的函数定义出来，然后就可以像使用本地函数一样使用外部函数，编译器会负责帮我们转换，是不是很方便呢。但是，调用一个外部函数是 unsafe 的，编译器不能提供足够的保证，所以要放到 unsafe 块中。
如果外部函数有可变参数，可以这么申明:
extern {
fn foo(x: i32, …);
}
不过 Rust 中的函数目前还不支持可变参数。
实际上，这里应该是 extern “C” {..}，因为默认值就是 ”C”，我们就可以将其省略。还有一些其他的可选值，因为这里不会用到，暂且不讨论，你可以去这儿这儿查看。
再来说说类型。“gethostname”函数在 C 头文件中的原型是：
int gethostname(char *name, size_t len);
在 Linux 64 位平台上，C 中的 int 对应于 Rust 中的 int，size_t 对应 Rust 中的 usize，但 C 中的 char 与 Rust 中的 char 是完全不同的，C 中的 char 始终是 i8 或者 u8，而 Rust 中的 char 是一个 unicode 标量值。你也可以去标准库查看。对于指针，Rust 中的裸指针 与 C 中的指针几乎是一样的，Rust 的 *mut 对应 C 的普通指针，*const 对应 C 的 const 指针。因此我们将类型一一对应，函数的参数名称不要求一致。
pub fn gethostname(name: *mut i8, len: usize) -> i32;
但是，我们后面会使用 CStr::from_ptr()将 C 中的字符串转换为 Rust 本地字符串，这个函数的定义是：
pub unsafe fn from_pt<‘a>(ptr: *const c_char) -> &’a CStr
为了“好看”一点，我就写成了 c_char，但是，c_char 只是 i8 的别名，你写成 i8 也没有问题的。
type c_char = i8;
你可以看这里。
不过，如果你要是考虑跨平台的话，可能需要吧 i32 换成 std::os::raw::c_int，并不是所有平台上 C 中的 int 都对应 Rust 中的 i32。不过，如果你没有一一对应类型，一定程度上是可行的，如果没有发生越界的话。比如像这样：
use std::os::raw::c_char;
use std::ffi::CStr;
extern {
pub fn gethostname(name: *mut c_char, len: u16) -> u16;
}
fn main() {
let len = 255;
let mut buf = Vec::<u8>::with_capacity(len);
let ptr = buf.as_mut_ptr() as *mut c_char;
unsafe {
gethostname(ptr, len as u16);
println!(“{:?}”, CStr::from_ptr(ptr));
}
}
我把 size_t 和 int 都对应成了 u16，这段代码是可以编译通过，并正确输出你的 hostname 的，但我建议，你最好是将类型一一对应上，以减少一些不必要的麻烦。当然，你把那个 *mut c_char 换成 *mut i32，也没问题，反正都是个指针，你可以试试：
use std::os::raw::c_char;
use std::ffi::CStr;
extern {
pub fn gethostname(name: *mut i32, len: u16) -> u16;
}
fn main() {
let len = 255;
let mut buf = Vec::<u8>::with_capacity(len);
let ptr = buf.as_mut_ptr() as *mut i32;
unsafe {
gethostname(ptr, len as u16);
println!(“{:?}”, CStr::from_ptr(ptr as *const i8));
}
}
你还可以把 Vec::<u8> 换成 Vec::<i32> 看看结果。
int gethostname(char *name, size_t len) 这个函数，是接收一个 char 数组和数组长度，也可以说成接收缓冲区和接收缓冲区的最大长度。我是创建了一个容量为 255 的 Vec<u8>，将其可变指针转换为裸指针。你也可以创建可以长度为 255 的 u8 数组，也没有问题：
let len = 255;
let mut buf = [0u8; 255];
let ptr = buf.as_mut_ptr() as *mut i32;
unsafe {
gethostname(ptr, len as u16);
println!(“{:?}”, CStr::from_ptr(ptr as *const i8));
}
为什么这样可以，因为 Rust 的 Slice 和 Vec 的底层内存布局，跟 C 是一样的。(注意，Rust 中 Slice 与 Array 的关系，就像 &str 与 str 的关系)。我们可以看看 Vec 和 Slice 在源码中的定义：
pub struct Vec<T> {
buf: RawVec<T>,
len: usize,
}
pub struct RawVec<T, A: Alloc = Global> {
ptr: Unique<T>,
cap: usize,
a: A,
}
pub struct Unique<T: ?Sized> {
pointer: *const T,
_marker: PhantomData<T>,
}
struct FatPtr<T> {
data: *const T,
len: usize,
}
Vec 是一个结构体，里面包含 buf 和 len 两个字段，len 用来表示 Vec 的长度，buf 又指向另一个结构体 RawVec，其中有三个字段，第三个字段 a 是一个 Tarit，不占内存。cap 用来表示 Vec 的容量，ptr 指向另一个结构体 Unique，其中的 pointer 字段就是一个裸指针了，_marker 是给编译器看的一个标记，也不占内存，暂时不讨论这个，你可以去看文档。Slice 的结构更简单，就一个裸指针和长度。
虽然 RawVec 和 Unique 在标准库外部是不可见的，但我们还是能用一定的“手段”取出里面值，那就是定义一个内存布局跟 Vec 一样的结构体，“强行”转换。
#[derive(Debug)]
struct MyVec<T> {
ptr: *mut T,
cap: usize,
len: usize
}
我定义了一个叫做 MyVec 的结构体，忽略了 Vec 中两个不占用内存的字段，他们的内存布局是相同的，在 64 位平台上都是 24（ptr 占 8 个，另外两个 usize 个 8 个）个字节。你可以试试：
#[derive(Debug)]
struct MyVec<T> {
ptr: *mut T,
cap: usize,
len: usize
}
println!(“{:?}”, std::mem::size_of::<Vec<u8>>());
println!(“{:?}”, std::mem::size_of::<MyVec<u8>>());
我先创建一个 Vec<u8>，拿到 Vec<u8> 的裸指针 *const Vec<u8>，再将 *const Vec<u8> 转换为 *const MyVec<u8>，之后，解引用，就能得到 MyVec<u8> 了。不过，解引裸指针是 unsafe 的，要谨慎!!! 你还可以看看标准库中讲述 pointer 的文档。
fn main() {
let vec = Vec::<u8>::with_capacity(255);
println!(“vec ptr: {:?}”, vec.as_ptr());
#[derive(Debug)]
struct MyVec<T> {
ptr: *mut T,
cap: usize,
len: usize
}
let ptr: *const Vec<u8> = &vec;
let my_vec_ptr: *const MyVec<u8> = ptr as _;
unsafe {
println!(“{:?}”, *my_vec_ptr);
}
}
然后编译运行，是否可以看到类似下面的输出呢：
vec ptr: 0x557933de6b40
MyVec {ptr: 0x557933de6b40, cap: 255, len: 0}
你可以看到，我们调用 vec.as_ptr()得到的就是 Vec 内部的那个裸指针。
对于 std::mem::size_of 相等的两个类型，你也可以使用 std::mem::transmute 这个函数转换，跟上面的通过裸指针间接转换，几乎是等效的，只是会多加一个验证，如果两个类型 size_of 不相等的话，是无法通过编译的。这个函数是 unsafe 的。
你还可以继续尝试，比如把 Vec<u8> 转换为长度为 3（或者更小更大）的 usize 数组，像是这样：
fn main() {
let vec = Vec::<u8>::with_capacity(255);
println!(“vec ptr: {:?}”, vec.as_ptr());
let ptr: *const Vec<u8> = &vec;
unsafe {
let aaa_ptr: *const [usize; 2] = ptr as _;
println!(“{:?}”, (*aaa_ptr)[0] as *const u8);
}
}
不过，由于 Rust 中 Vec 的扩容机制，这段代码是存在一定问题的：
fn main() {
let len = 255;
let mut buf = Vec::<u8>::with_capacity(len);
let ptr = buf.as_mut_ptr() as *mut c_char;
unsafe {
gethostname(ptr, len);
println!(“{:?}”, CStr::from_ptr(ptr));
}
println!(“{:?}”, buf);
}
虽然获取到了正确的主机名，但是之后你打印 buf 会发现，buf 是空的，这个问题留给你去探究。
你已经看到，Rust 已经变得“不安全”，这又不小心又引入了另一个话题 –《Meet Safe and Unsafe》。不过，还是尽快回归正题，等之后有机会再说这个话题。
说起套接字 API，主要包括 TCP、UDP、SCTP 相关的函数，I/ O 复用函数和高级 I / O 函数。其中大部分函数 Rust 标准里是没有的，如果标准库不能满足你的需求，你可以直接调用 libc 中的函数。实际上，标准库中，网络这一块，也基本是对 libc 中相关函数的封装。
先从 TCP 开始。TCP 套接字编程主要会涉及到 socket、connect、bind、listen、accept、close、getsockname、getpeername 等函数。先来看看这些函数的定义：
// socket 函数用来指定期望的通信协议类型，并返回套接字描述符
int socket(int family, int type, int protocol); // 成功返回监听描述符。用来设置监听，出错为 -1
// family 是表示 socket 使用的协议类型，对于 TCP，通常设置为 `AF_INET` 或 `AF_INET6`，表示 `IPv4` 和 `IPv6`
// type 是创建的套接字类型，TCP 是字节流套接字，所以这里设置为 `SOCK_STREAM`，可选的值还有
// `SOCK_DGRAM` 用于 UDP，`SOCK_SEQPACKET` 用于 SCTP
// protocol 协议的标识，可以设置为 0，让系统选择默认值。可选的值有 `IPPROTO_TCP`、`IPPROTO_UDP`、`IPPROTO_SCTP`
// connect 函数被客户端用来联立与 TCP 服务器的连接
int connect(int sockfd, const struct sockaddr *servaddr, socklen_t addrlen); // 成功返回 0，出错为 -1
// sockfd 是由 socket 函数返回的套接字描述符，第二和第三个参数分别指向一个指向套接字地址结构的指针和该指针的长度
// bind 函数把一个本地协议地址赋予一个套接字。
int bind(int sockfd, const struct sockaddr *myaddr, socklen_t addrlen); // 成功返回 0，出错为 -1
// 第二个和第三个参数分别是指向特点于协议的地址结构的指针和指针的长度
// listen 函数把一个未连接的套接字转换成一个被动套接字，指示内核应接受指向该套接字的连接请求。
int listen(int sockfd, int backlog); // 成功返回 0，出错为 -1
// 第二个参数指定内核该为相应套接字排队的最大连接个数。
// accept 函数由 TCP 服务器调用，用于从已完成连接的队列头返回下一个已完成的连接。
int accept(int sockfd, struct sockaddr *cliaddr, socklen_t *addrlen); // 成功返回非负描述符，错误返回 -1
// 第二个和第三个参数用来返回客户端的协议地址和该地址的大小
// close 用来关闭套接字，并终止 TCP 连接
int close(int sockfd); // 成功返回 0，出错为 -1
// getsockname 和 getpeername 函数返回与某个套接字关联的本地协议地址和外地协议地址
int getsockname(int sockfd,struct sockaddr *localaddr,socklen_t *addrlen); // 成功返回 0，出错为 -1
int getpeername(int sockfd,struct sockaddr *peeraddr,socklen_t *addelen); // 成功返回 0，出错为 -1
还有一对常见的函数，read 和 write 用于读写数据。另外还有三对高级 I / O 函数，recv/send、readv/writev 和 recvmsg/sendmsg 等需要的时候再加。
ssize_t read(int fd, void *buf, size_t count);
ssize_t write(int fd, const void *buf, size_t count);
除了函数外，还有几个常量和 sockaddr 这个结构体。常量我们需要在 Rust 这边定义出来，只定义出需要的：
const AF_INET: i32 = 2;
const AF_INET6: i32 = 10;
const SOCK_STREAM: i32 = 1;
const IPPROTO_TCP: i32 = 6;
除了 sockaddr 外，还有几个与之相关的结构体，他们在 C 中的定是：
struct sockaddr
{
unsigned short int sa_family; // 地址族
unsigned char sa_data[14]; // 包含套接字中的目标地址和端口信息
};
struct sockaddr_in
{
sa_family_t sin_family;
uint16_t sin_port;
struct in_addr sin addr;
char sin_zero[8];
};
struct in_addr
{
In_addr_t s_addr;
};
struct sockaddr_in6
{
sa_family_t sin_family;
in_port_t sin6_port;
uint32_t sin6_flowinfo;
struct in6_addr sin6_addr;
uint32_t sin6_scope_id;
};
struct in6_addr
{
uint8_t s6_addr[16]
};
struct sockaddr_storage {
sa_family_t ss_family; // address family
// all this is padding, implementation specific, ignore it:
char __ss_pad1[_SS_PAD1SIZE];
int64_t __ss_align;
char __ss_pad2[_SS_PAD2SIZE];
};
然后，需要在 Rust 中定义出布局相同的结构体：
#[repr(C)]
#[derive(Debug, Clone, Copy)]
pub struct sockaddr {
pub sa_family: u16,
pub sa_data: [c_char; 14],
}
#[repr(C)]
#[derive(Debug, Clone, Copy)]
pub struct sockaddr_in {
pub sin_family: u16,
pub sin_port: u16,
pub sin_addr: in_addr,
pub sin_zero: [u8; 8],
}
#[repr(C)]
#[derive(Debug, Clone, Copy)]
pub struct in_addr {
pub s_addr: u32,
}
#[repr(C)]
#[derive(Debug, Clone, Copy)]
pub struct sockaddr_in6 {
pub sin6_family: u16,
pub sin6_port: u16,
pub sin6_flowinfo: u32,
pub sin6_addr: in6_addr,
pub sin6_scope_id: u32,
}
#[repr(C)]
#[derive(Debug, Clone, Copy)]
pub struct in6_addr {
pub s6_addr: [u8; 16],
}
#[repr(C)]
#[derive(Debug, Clone, Copy)]
pub struct sockaddr_storage {
pub ss_family: u16,
_unused: [u8; 126]
}
你需要在结构体前面加一个 #[repr(C)]标签，以确保结构体的内存布局跟 C 一致，因为，Rust 结构体的内存对齐规则，可能跟 C 是不一样的。#[derive(Debug, Clone, Copy)] 不是必须的。对于最后一个结构体 sockaddr_storage，我也很迷，我不知道在 Rust 中如何定义出来，但是我知道它占 128 个字节，然后我就定义一个长度为 126 的 u8 数组，凑够 128 位。
接下来，继续把那几个函数定义出来：
extern {
pub fn socket(fanily: i32, ty: i32, protocol: i32) -> i32;
pub fn connect(sockfd: i32, servaddr: *const sockaddr, addrlen: u32) -> i32;
pub fn bind(sockfd: i32, myaddr: *const sockaddr, addrlen: u32) -> i32;
pub fn listen(sockfd: i32, backlog: i32);
pub fn accept(sockfd: i32, cliaddr: *mut sockaddr, addrlen: u32) -> i32;
pub fn close(sockfd: i32) -> i32;
pub fn getsockname(sockfd: i32, localaddr: *mut sockaddr, addrlen: *mut u32) -> i32;
pub fn getpeername(sockfd: i32, peeraddr: *mut sockaddr, addrlen: *mut u32) -> i32;
pub fn read(fd: i32, buf: *mut std::ffi::c_void, count: usize) -> isize;
pub fn write(fd: i32, buf: *const std::ffi::c_void, count: usize) -> isize;
}
对于 read 和 write 里的参数 buf 类型 void，可以使用标准库提供的 std::ffi::c_void，也可以是 *mut u8/*const u8，像是下面这样：
pub fn read(fd: i32, buf: *mut u8, count: usize) -> isize;
pub fn write(fd: i32, buf: *const u8, count: usize) -> isize;
或者，既然 void 本身是个“动态类型”，也可以传个其他类型的指针进去的，之后你可以试试，不过可能会有点危险。
看看目前的代码：
use std::os::raw::c_char;
use std::ffi::c_void;
pub const AF_INET: i32 = 2;
pub const AF_INET6: i32 = 10;
pub const SOCK_STREAM: i32 = 1;
pub const IPPRPTO_TCP: i32 = 6;
#[repr(C)]
#[derive(Debug, Clone, Copy)]
pub struct sockaddr {
pub sa_family: u16,
pub sa_data: [c_char; 14],
}
#[repr(C)]
#[derive(Debug, Clone, Copy)]
pub struct sockaddr_in {
pub sin_family: u16,
pub sin_port: u16,
pub sin_addr: in_addr,
pub sin_zero: [u8; 8],
}
#[repr(C)]
#[derive(Debug, Clone, Copy)]
pub struct in_addr {
pub s_addr: u32,
}
#[repr(C)]
#[derive(Debug, Clone, Copy)]
pub struct sockaddr_in6 {
pub sin6_family: u16,
pub sin6_port: u16,
pub sin6_flowinfo: u32,
pub sin6_addr: in6_addr,
pub sin6_scope_id: u32,
}
#[repr(C)]
#[derive(Debug, Clone, Copy)]
pub struct in6_addr {
pub s6_addr: [u8; 16],
}
#[repr(C)]
#[derive(Clone, Copy)]
pub struct sockaddr_storage {
pub ss_family: u16,
_unused: [u8; 126]
}
extern {
pub fn socket(fanily: i32, ty: i32, protocol: i32) -> i32;
pub fn connect(sockfd: i32, servaddr: *const sockaddr, addrlen: u32) -> i32;
pub fn bind(sockfd: i32, myaddr: *const sockaddr, addrlen: u32) -> i32;
pub fn listen(sockfd: i32, backlog: i32);
pub fn accept(sockfd: i32, cliaddr: *mut sockaddr, addrlen: *mut u32) -> i32;
pub fn close(sockfd: i32) -> i32;
pub fn getsockname(sockfd: i32, localaddr: *mut sockaddr, addrlen: *mut u32) -> i32;
pub fn getpeername(sockfd: i32, peeraddr: *mut sockaddr, addrlen: *mut u32) -> i32;
pub fn read(fd: i32, buf: *mut std::ffi::c_void, count: usize) -> isize;
pub fn write(fd: i32, buf: *const std::ffi::c_void, count: usize) -> isize;
}
然后，我们可以写一个简单的服务器和客户端程序：服务器监听一个地址，客户端连接服务器，然后向服务器发送“Hello, server!”，服务器回应“Hi，client!”，客户端收到后断开连接。
fn main() {
use std::io::Error;
use std::mem;
use std::thread;
use std::time::Duration;
thread::spawn(|| {
// server
unsafe {
let socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
if socket < 0 {
panic!(“last OS error: {:?}”, Error::last_os_error());
}
let servaddr = sockaddr_in {
sin_family: AF_INET as u16,
sin_port: 8080u16.to_be(),
sin_addr: in_addr {
s_addr: u32::from_be_bytes([127, 0, 0, 1]).to_be()
},
sin_zero: mem::zeroed()
};
let result = bind(socket, &servaddr as *const sockaddr_in as *const sockaddr, mem::size_of_val(&servaddr) as u32);
if result < 0 {
println!(“last OS error: {:?}”, Error::last_os_error());
close(socket);
}
listen(socket, 128);
loop {
let mut cliaddr: sockaddr_storage = mem::zeroed();
let mut len = mem::size_of_val(&cliaddr) as u32;
let client_socket = accept(socket, &mut cliaddr as *mut sockaddr_storage as *mut 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 = 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 = write(client_socket, msg as *const _ as *const c_void, msg.len());
if n <= 0 {
break;
}
}
close(client_socket);
});
}
close(socket);
}
});
thread::sleep(Duration::from_secs(1));
// client
unsafe {
let socket = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
if socket < 0 {
panic!(“last OS error: {:?}”, Error::last_os_error());
}
let servaddr = sockaddr_in {
sin_family: AF_INET as u16,
sin_port: 8080u16.to_be(),
sin_addr: in_addr {
s_addr: u32::from_be_bytes([127, 0, 0, 1]).to_be()
},
sin_zero: mem::zeroed()
};
let result = connect(socket, &servaddr as *const sockaddr_in as *const sockaddr, mem::size_of_val(&servaddr) as u32);
if result < 0 {
println!(“last OS error: {:?}”, Error::last_os_error());
close(socket);
}
let msg = b”Hello, server!”;
let n = write(socket, msg as *const _ as *const c_void, msg.len());
if n <= 0 {
println!(“last OS error: {:?}”, Error::last_os_error());
close(socket);
}
let mut buf = [0u8; 64];
let n = 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]));
close(socket);
}
}
调用外部函数是 unsafe 的，我为了简单省事，暂时把代码放到了一个大的 unsafe {} 中，之后我们再把他们封装成 safe 的 API。为了方便测试，我把服务器程序放到了一个线程里，然后等待 1 秒后，再让客户端建立连接。
std::io::Error::last_os_error 这个函数，是用来捕获函数操作失败后，内核反馈给我们的错误。
在调用 bind 和 connect 函数时，先要创建 sockaddr_in 结构体，端口（sin_port)和 IP 地址 (s_addr) 是网络字节序（big endian)，于是我调用了 u16 和 u32 的 to_be() 方法将其转换为网络字节序。u32::from_be_bytes 函数是将[127u8, 0u8, 0u8, 1u8] 转换为 u32 整数，由于我们看到的已经是大端了，转换回去会变成小端，于是后面又调用了 to_be()，你也可以直接 u32::from_le_bytes([127, 0, 0, 1])。然后使用了 std::mem::zeroed 函数创建一个[0u8; 8] 数组，你也可以直接[0u8; 8]，在这里他们是等效的。接着，我们进行强制类型转换，将 &sockaddr_in 转换为 *const sockaddr_in 类型，又继续转换为 *const sockaddr，如果你理解了一开始“gethostname”那个例子话，这里应该很好理解。这里还可以简写成 &servaddr as *const _ as *const _，编译器会自动推导类型。
在调用 accept 函数时，先创建了一个 mut sockaddr_storage，同样进行类型转换。之所以用 sockaddr_storage 而不是 sockaddr_in 和 sockaddr_in6 是因为 sockaddr_storage 这个通用结构足够大，能承载 sockaddr_in 和 sockaddr_in6 等任何套接字的地址结构，因此，我们如果把套接 bind 到一个 IPv6 地址上的话，这里的代码是不需要修改的。我还是用 std::mem::zeroed 函数初始化 sockaddr_storage，它的结构我也很迷惑，所以就借助了这个函数，这个函数是 unsafe 的，使用的时候要小心。你也可以继续尝试这个函数：
let mut a: Vec<u8> = unsafe {std::mem::zeroed() };
a.push(123);
println!(“{:?}”, a);
在 read 和 write 时，同样要类型转换。
很多时候，类型根本“强不起来”。OK，这一节的内容就先到这里。
