Linux socket底层的相关实现

上一篇文章对Linux sockfs文件系统的注册和挂载进行了分析，本文在上文基础上进一步全面分析socket底层的相关实现。

一、socket与inode

socket在Linux中对应的文件系统叫Sockfs,每创建一个socket,就在sockfs中创建了一个特殊的文件，同时创建了sockfs文件系统中的inode，该inode唯一标识当前socket的通信。

如下图所示，左侧窗口使用nc工具创建一个TCP连接;右侧找到该进程id(3384)，通过查看该进程下的描述符，可以看到"3 ->socket:[86851]",socket表示这是一个socket类型的fd，[86851]表示这个一个inode号，能够唯一标识当前的这个socket通信连接，进一步在该inode下查看"grep -i "86851" /proc/net/tcp”可以看到该TCP连接的所有信息(连接状态、IP地址等)，只不过是16进制显示。

在分析socket与inode之前，先通过ext4文件系统举例：

在VFS层，即抽象层，所有的文件系统都使用struct inode结构体描述indoe，然而分配inode的方式都不同，如ext4文件系统的分配inode函数是ext4_alloc_inode，如下所示：

从函数中可以看出来，函数其实是调用kmem_cache_alloc分配了 ext4_inode_info结构体(结构体如下所示)，然后进行了一系列的初始化，最后返回的却是struct inode结构体(如上面代码的return &ei->vfs_inode)。如下结构体ext4_inode_info(ei)所示，vfs_inode是其struct inode结构体成员。

再看一下：ext4_inode、ext4_inode_info、inode之间的关联，

ext4_inode如下所示，是磁盘上inode的结构

ext4_inode_info是ext4文件系统的inode在内存中管理结构体：

inode是文件系统抽象层：

三者的关系如下图，struct inode是VFS抽象层的表示，ext4_inode_info是ext4文件系统inode在内存中的表示，struct ext4_inode是文件系统inode在磁盘中的表示。

VFS采用C语言的方式实现了struct inode和struct ext4_inode_info继承关系，inode与ext4_inode_info是父类与子类的关系，并且Linux内核实现了inode与ext4_inode_info父子类的互相转换，如下EXT4_I所示：

以上是以ext4为例进行了分析，下面将开始从socket与inode进行分析：

sockfs是虚拟文件系统，所以在磁盘上不存在inode的表示，在内核中有struct socket_alloc来表示内存中sockfs文件系统inode的相关结构体：

struct socket与struct inode的关系如下图，正如ext4文件系统中struct ext4_inode_info与struct inode的关系类似，inode和socket_alloc结构体是父类与子类的关系。

从上面分析ext4文件系统分配inode时，是通过ext4_alloc_inode函数分配了ext4_inode_info结构体，并初始化结构体成员，函数最后返回的是ext4_inode_info中的struct inode成员。sockfs文件系统也类似，sockfs文件系统分配inode时，创建的是socket_alloc结构体，在函数最后返回的是struct inode。

从上篇文章中，分析了sockfs文件系统注册与挂载，初始化了超级块的函数操作集，如下所示alloc_inode是分配inode结构体的回调函数接口。

sockfs文件系统的inode分配函数是sock_alloc_inode，如下所示：

sock_alloc_inode函数分配了socket_alloc结构体，也就意味着分配了struct socket和struct inode,并最终返回了socket_alloc结构体成员inode。

故struct socket这个字段出生的时候其实就和一个struct inode结构体伴生出来的，它们俩共同封装在struct socket_alloc中，由sockfs的sock_alloc_inode函数分配的,函数返回的是struct inode结构体.和ext4文件系统类型类似。sockfs文件系统也实现了struct inode与struct socket的转换:

二、socket的创建与初始化

首先看一下struct socket在内核中的定义：

在内核中还有struct sock结构体，在struct socket中可以看到那么它们的关系是什么?

1、socket面向上层，sock面向下层的具体协议

2、socket是内核抽象出的一个通用结构体，主要是设置了一些跟fs相关的字段，而真正跟网络通信相关的字段结构体是struct sock

3、struct sock是套接字的核心，是对底层具体协议做的一层抽象封装，比如TCP协议，struct sock结构体中的成员sk_prot会赋值为tcp_prot,UDP协议会赋值为udp_prot。

(关于更多struct sock的分析将在以后的文章中分析)

创建socket的系统调用：在用户空间创建了一个socket后，返回值是一个文件描述符。在SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol)最后调用sock_map_fd进行关联，其中返回的就是用户空间获取的文件描述符fd，sock就是调用sock_create创建成功的socket.

socket的创建将调用sock_create函数：

__sock_create函数调用sock_alloc函数分配socket结构和文件节点：

socket结构体的创建在sock_alloc()函数中：

new_inode_pseudo中通过继续调用sockfs文件系统中的sock_alloc_inode函数完成struct socket_alloc的创建并返回其结构体成员struct inode。

然后调用SOCKT_I函数返回对应的struct socket。

在_sock_create中：pf->create(net, sock, protocol, kern);

通过相应的协议族，进一步调用不同的socket创建函数。pf是struct net_proto_family结构体，如下所示：

net_families[]数组里存放的是各个协议族的信息，以family字段作为下标，对应的值为net_pro_family结构体。此处我们针对TCP协议分析，因此我们family字段是AF_INET，pf->create将调用inet_create函数继续完成底层struct sock等创建和初始化。

inet_create函数完成struct socket、struct inode、struct sock的创建与初始化后，调用sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));完成socket与文件系统的关联，负责分配文件，并与socket进行绑定：

1、调用sock_alloc_file，分配一个struct file，并将私有数据指针指向socket结构

2、fd_install 对应文件描述符和file

get_unused_fd_flags(flags)继续调用alloc_fd完成文件描述符的分配。

sock_alloc_file(sock, flags, NULL)分配一个struct file结构体

其中file = alloc_file(&path, FMODE_READ | FMODE_WRITE,

&socket_file_ops);分配了file结构体并进行初始化：

其中file->f_op = fop，将socket_file_ops传递给文件操作表

以上操作完成了struct socket、struct sock、struct file等的创建、初始化、关联，并最终返回socket描述符fd

socket描述符fd和我们平时操作文件的文件描述符相同，那么会有一个疑问，可以看到struct file_operations socket_file_ops函数表中并没有提供write()和read()接口,只是看到read_iter，write_iter等接口，那么系统是如何处理的呢?

以write()为例：

sys_write()->__vfs_write()

从__vfs_write函数中可以看出来，如果socket函数表中没有提供write接口函数，则调用new_sync_write:

call_write_iter:

从以上__vfs_write()分析，如果文件函数表结构提供了write接口函数则调用write函数，如果文件函数表结构没有提供write接口函数(如socket操作函数表中没有提供write接口)，则调用write_iter接口，即调用socket操作函数表中的sock_write_iter。就这样通过socket fd进行普通文件系统那样通过描述符进行读写等。

用户得到socket fd,可以进行地址绑定、发送以及接收数据等操作，在Linux内核中有相关的函数完成从socket fd到struct socket、struct file的转换：

fdget()函数从当前进程的files_struct结构中找到网络文件系统中的file文件指针，并封装在struct fd结构体中。sock_from函数通过得到的file结构体得到对应的socket结构指针。sock_from函数如下：

至此，socket底层来龙去脉的大体结构大概就分析到这，最为核心的struct sock相关的联系以及底层协议的初始化等将在以后的文章进行分析。