轉(zhuǎn)載自技術(shù)簡(jiǎn)說

上一篇文章淺析Linux sockfs文件系統(tǒng)對(duì)Linux sockfs文件系統(tǒng)的注冊(cè)和掛載進(jìn)行了分析，本文在上文基礎(chǔ)上進(jìn)一步全面分析socket底層的相關(guān)實(shí)現(xiàn)。

一、socket與inode

socket在Linux中對(duì)應(yīng)的文件系統(tǒng)叫Sockfs，每創(chuàng)建一個(gè)socket，就在sockfs中創(chuàng)建了一個(gè)特殊的文件，同時(shí)創(chuàng)建了sockfs文件系統(tǒng)中的inode，該inode唯一標(biāo)識(shí)當(dāng)前socket的通信。

如下圖所示，左側(cè)窗口使用nc工具創(chuàng)建一個(gè)TCP連接;右側(cè)找到該進(jìn)程id（3384），通過查看該進(jìn)程下的描述符，可以看到“3 ->socket：[86851]”，socket表示這是一個(gè)socket類型的fd，[86851]表示這個(gè)一個(gè)inode號(hào)，能夠唯一標(biāo)識(shí)當(dāng)前的這個(gè)socket通信連接，進(jìn)一步在該inode下查看“grep -i ”86851“ /proc/net/tcp”可以看到該TCP連接的所有信息（連接狀態(tài)、IP地址等），只不過是16進(jìn)制顯示。

在分析socket與inode之前，先通過ext4文件系統(tǒng)舉例：

在VFS層，即抽象層，所有的文件系統(tǒng)都使用struct inode結(jié)構(gòu)體描述indoe，然而分配inode的方式都不同，如ext4文件系統(tǒng)的分配inode函數(shù)是ext4_alloc_inode，如下所示：

從函數(shù)中可以看出來，函數(shù)其實(shí)是調(diào)用kmem_cache_alloc分配了 ext4_inode_info結(jié)構(gòu)體（結(jié)構(gòu)體如下所示），然后進(jìn)行了一系列的初始化，最后返回的卻是struct inode結(jié)構(gòu)體（如上面代碼的return &ei->vfs_inode）。如下結(jié)構(gòu)體ext4_inode_info（ei）所示，vfs_inode是其結(jié)構(gòu)體成員。

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再看一下：ext4_inode、ext4_inode_info、inode之間的關(guān)聯(lián)，

ext4_inode如下所示，是磁盤上諾德的結(jié)構(gòu)

ext4_inode_info是ext4文件系統(tǒng)的inode在內(nèi)存中管理結(jié)構(gòu)體：

inode是文件系統(tǒng)抽象層：

三者的關(guān)系如下圖，struct inode是VFS抽象層的表示，ext4_inode_info是ext4文件系統(tǒng)inode在內(nèi)存中的表示，struct ext4_inode是文件系統(tǒng)inode在磁盤中的表示。

VFS采用C語言的方式實(shí)現(xiàn)了struct inode和struct ext4_inode_info繼承關(guān)系，inode與ext4_inode_info是父類與子類的關(guān)系 ，并且Linux內(nèi)核實(shí)現(xiàn)了inode與ext4_inode_info父子類的互相轉(zhuǎn)換，如下EXT4_I所示：

以上是以ext4為例進(jìn)行了分析，下面將開始從socket與inode進(jìn)行分析：

sockfs是虛擬文件系統(tǒng)，所以在磁盤上不存在inode的表示，在內(nèi)核中有struct socket_alloc來表示內(nèi)存中sockfs文件系統(tǒng)inode的相關(guān)結(jié)構(gòu)體：

struct socket與struct inode的關(guān)系如下圖，正如ext4文件系統(tǒng)中struct ext4_inode_info與struct inode的關(guān)系類似，inode和socket_alloc結(jié)構(gòu)體是父類與子類的關(guān)系。

從上面分析ext4文件系統(tǒng)分配inode時(shí)，是通過ext4_alloc_inode函數(shù)分配了ext4_inode_info結(jié)構(gòu)體，并初始化結(jié)構(gòu)體成員，函數(shù)最后返回的是ext4_inode_info中的struct inode成員。sockfs文件系統(tǒng)也類似，sockfs文件系統(tǒng)分配inode時(shí)，創(chuàng)建的是socket_alloc結(jié)構(gòu)體，在函數(shù)最后返回的是struct inode。

從上一篇文章淺析Linux sockfs文件系統(tǒng)中，分析了sockfs文件系統(tǒng)注冊(cè)與掛載，初始化了超級(jí)塊的函數(shù)操作集，如下所示alloc_inode是分配inode結(jié)構(gòu)體的回調(diào)函數(shù)接口。

sockfs文件系統(tǒng)的inode分配函數(shù)是sock_alloc_inode，如下所示：

sock_alloc_inode函數(shù)分配了socket_alloc結(jié)構(gòu)體，也就意味著分配了struct socket和struct inode，并最終返回了socket_alloc結(jié)構(gòu)體成員inode。

故struct socket這個(gè)字段出生的時(shí)候其實(shí)就和一個(gè)struct inode結(jié)構(gòu)體伴生出來的，它們倆共同封裝在struct socket_alloc中，由sockfs的sock_alloc_inode函數(shù)分配的，函數(shù)返回的是struct inode結(jié)構(gòu)體.和ext4文件系統(tǒng)類型類似。sockfs文件系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了struct inode與struct socket的轉(zhuǎn)換：

二、socket的創(chuàng)建與初始化

首先看一下struct socket在內(nèi)核中的定義：

在內(nèi)核中還有struct sock結(jié)構(gòu)體，在struct socket中可以看到那么它們的關(guān)系是什么？

1、socket面向上層，sock面向下層的具體協(xié)議

2、socket是內(nèi)核抽象出的一個(gè)通用結(jié)構(gòu)體，主要是設(shè)置了一些跟fs相關(guān)的字段，而真正跟網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)的字段結(jié)構(gòu)體是struct sock

3、struct sock是套接字的核心，是對(duì)底層具體協(xié)議做的一層抽象封裝，比如TCP協(xié)議，struct sock結(jié)構(gòu)體中的成員sk_prot會(huì)賦值為tcp_prot，UDP協(xié)議會(huì)賦值為udp_prot。

（關(guān)于更多struct sock的分析將在以后的文章中分析）

**創(chuàng)建socket的系統(tǒng)調(diào)用：**在用戶空間創(chuàng)建了一個(gè)socket后，返回值是一個(gè)文件描述符。在SYSCALL_DEFINE3（socket， int， family， int， type， int， protocol）最后調(diào)用sock_map_fd進(jìn)行關(guān)聯(lián)，其中返回的就是用戶空間獲取的文件描述符fd，sock就是調(diào)用sock_create創(chuàng)建成功的socket.

socket的創(chuàng)建將調(diào)用sock_create函數(shù)：

__sock_create函數(shù)調(diào)用sock_alloc函數(shù)分配socket結(jié)構(gòu)和文件節(jié)點(diǎn)：

socket結(jié)構(gòu)體的創(chuàng)建在sock_alloc（）函數(shù)中：

new_inode_pseudo中通過繼續(xù)調(diào)用sockfs文件系統(tǒng)中的sock_alloc_inode函數(shù)完成struct socket_alloc的創(chuàng)建并返回其結(jié)構(gòu)體成員結(jié)構(gòu)

然后調(diào)用SOCKT_I函數(shù)返回對(duì)應(yīng)的struct socket。

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

通過相應(yīng)的協(xié)議族，進(jìn)一步調(diào)用不同的socket創(chuàng)建函數(shù)。pf是struct net_proto_family結(jié)構(gòu)體，如下所示：

net_families[]數(shù)組里存放的是各個(gè)協(xié)議族的信息，以family字段作為下標(biāo)，對(duì)應(yīng)的值為net_pro_family結(jié)構(gòu)體。此處我們針對(duì)TCP協(xié)議分析，因此我們family字段是AF_INET，pf->create將調(diào)用inet_create函數(shù)繼續(xù)完成底層結(jié)構(gòu) sock等創(chuàng)建和初始化。

inet_create函數(shù)完成struct socket、struct inode、struct sock的創(chuàng)建與初始化后，調(diào)用sock_map_fd（sock， flags & （O_CLOEXEC |O_NONBLOCK））;完成socket與文件系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)，負(fù)責(zé)分配文件，并與socket進(jìn)行綁定：

1、調(diào)用sock_alloc_file，分配一個(gè)struct file，并將私有數(shù)據(jù)指針指向socket結(jié)構(gòu)

2、fd_install 對(duì)應(yīng)文件描述符和文件

get_unused_fd_flags（flags）繼續(xù)調(diào)用alloc_fd完成文件描述符的分配。

sock_alloc_file（sock， flags， NULL）分配一個(gè)結(jié)構(gòu)文件結(jié)構(gòu)體

其中file = alloc_file（&path， FMODE_READ |FMODE_WRITE， &socket_file_ops）;分配了file結(jié)構(gòu)體并進(jìn)行初始化：

其中file->f_op = fop，將socket_file_ops傳遞給文件操作表

以上操作完成了struct socket、struct sock、struct file等的創(chuàng)建、初始化、關(guān)聯(lián)，并最終返回socket描述符fd

socket描述符fd和我們平時(shí)操作文件的文件描述符相同，那么會(huì)有一個(gè)疑問，可以看到struct file_operations socket_file_ops函數(shù)表中并沒有提供write（）和read（）接口，只是看到read_iter，write_iter等接口，那么系統(tǒng)是如何處理的呢？

以write（）為例：

sys_write（）->__vfs_write（）

從__vfs_write函數(shù)中可以看出來，如果socket函數(shù)表中沒有提供write接口函數(shù)，則調(diào)用new_sync_write：

call_write_iter：

從以上__vfs_write（）分析，如果文件函數(shù)表結(jié)構(gòu)提供了write接口函數(shù)則調(diào)用write函數(shù)，如果文件函數(shù)表結(jié)構(gòu)沒有提供write接口函數(shù)（如socket操作函數(shù)表中沒有提供write接口），則調(diào)用write_iter接口，即調(diào)用socket操作函數(shù)表中的sock_write_iter。就這樣通過socket fd進(jìn)行普通文件系統(tǒng)那樣通過描述符進(jìn)行讀寫等。

用戶得到socket fd，可以進(jìn)行地址綁定、發(fā)送以及接收數(shù)據(jù)等操作，在Linux內(nèi)核中有相關(guān)的函數(shù)完成從socket fd到struct socket、struct file的轉(zhuǎn)換：

fdget（）函數(shù)從當(dāng)前進(jìn)程的files_struct結(jié)構(gòu)中找到網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)中的file文件指針，并封裝在struct fd結(jié)構(gòu)體中。sock_from函數(shù)通過得到的file結(jié)構(gòu)體得到對(duì)應(yīng)的socket結(jié)構(gòu)指針。sock_from函數(shù)如下：

至此，socket底層來龍去脈的大體結(jié)構(gòu)大概就分析到這，最為核心的struct sock相關(guān)的聯(lián)系以及底層協(xié)議的初始化等將在以后的文章進(jìn)行分析。