深入理解 Linux socket
The following article is from 奇伢云存储 Author 奇伢
socket fd 长什么样子？
什么是 socket fd ？粗糙的来讲，就是网络 fd，比如我们最常见的 C/S 客户端服务端的编程模式，就是网络通信的一种方式。撇开底层和协议细节，网络通信和文件读写从接口上有本质区别吗？
其实没啥区别，不就是读过来和写过去嘛，简称 IO 。
我们先看一下 socket fd 是什么样子的？随便找了个进程
root@ubuntu:~# ll /proc/1583/fd
total 0
lrwx------ 1 root root 64 Jul 19 12:37 7 -> socket:[18892]
lrwx------ 1 root root 64 Jul 19 12:37 8 -> socket:[18893]
这里我们看到 fd 7、8 都是一个 socket fd，名字：socket:[18892]
整数句柄后面一般会跟一些信息，用于帮助我们了解这个 fd 是什么。举个例子，如果是文件 fd，那么箭头后面一般是路径名称。现在拆解一下这个名字：
socket ：标识这是一个 socket 类型的 fd [18892]：这个是一个 inode 号，能够唯一标识本机的一条网络连接；
思考下，这个 inode 号，还能再哪里能看到呢？
在 proc 的 net 目录下，因为我这个是一个走 tcp 的服务端，所以我们看一下 /proc/net/tcp 文件。这个文件里面能看到所有的 tcp 连接的信息。
root@ubuntu:~# grep -i "18892" /proc/net/tcp
18: 00000000:1F93 00000000:0000 0A 00000000:00000000 00:00000000 00000000 0 0 18892 1 ffff880197fba580 100 0 0 10 0
root@ubuntu:~# grep -i "18893" /proc/net/tcp
28: 00000000:1F7C 00000000:0000 0A 00000000:00000000 00:00000000 00000000 0 0 18893 1 ffff880197fbad00 100 0 0 10 0
知识点又来了，/proc/net/tcp 这个文件记录了 tcp 连接的信息，这份信息是非常有用的。包含了 TCP 连接的地址（16进制显示），inode 的信息，连接的状态等等。
socket fd 是什么？
环境声明：
Linux 内核版本 4.19
为了方便，如果没特意说明协议，默认 TCP 协议；
socket 可能你还没反应过来，中文名：套接字 是不是更熟悉点。Linux 网络编程甚至可以叫做套接字编程。
有些概念你必须捋一捋 。我们思考几个小问题：
socket 跟 tcp/ip 有什么区别？
就不该把这两个东西放在一起比较讨论，就不是一个东西。tcp/ip 是网络协议栈，socket 是操作系统为了方便网络编程而设计出来的编程接口而已。
理论基础是各种网络协议，协议栈呀，啥的。但是如果你要进行网络编程，落到实处，对程序猿来讲就是 socket 编程。
对于网络的操作，由 socket 体现为 open -> read/write ->close 这样的编程模式，这个统一到文件的一种形式。
socket 的 open 就是
socket(int domain, int type, int protocol)，和文件一样，都是获取一个句柄。
网络抽象层次
网络模型一般会对应到两种：
完美理论的 OSI 七层模型； 现实应用的 5 层模型；
对应关系如下图（取自 Unix 套接字编程）
不同层次做不同的事情，不断的封装，不断的站在巨人的肩膀上，你将能做的更多。
今天，奇伢剖析的只聚焦在套接字这一层，这是程序猿摸得到的一层，位于所有网络协议之上的一层封装，网络编程又叫套接字编程，这并不是空穴来风。
套接字，是内核对贼复杂的网络协议栈的 API 封装，使得程序猿能够用极简的姿势进行网络编程。比如写一个基于 Tcp 的 C/S 的网络程序，需要用到啥？我们大概畅想下：
客户端和服务端都用 socket调用创建套接字；服务端用 bind绑定监听地址，用listen把套接字转化为监听套接字，用accept捞取一个客户端来的连接；客户端用 connect进行建连，用write/read进行网络 IO；
程序猿用着好简单！因为内核把事扛了。
socket fd 的类型
上面我们提到了套接字，这是我们网络编程的主体，套接字由 socket() 系统调用创建，但你可知套接字其实可分为两种类型，监听套接字和普通套接字。而监听套接字是由 listen() 把 socket fd 转化而成。
对于监听套接字，不走数据流，只管理连接的建立。accept 将从全连接队列获取一个创建好的 socket（ 3 次握手完成），对于监听套接字的可读事件就是全连接队列非空。对于监听套接字，我们只在乎可读事件。
普通套接字就是走数据流的，也就是网络 IO，针对普通套接字我们关注可读可写事件。在说 socket 的可读可写事件之前，我们先捋顺套接字的读写大概是什么样子吧。
套接字层是内核提供给程序员用来网络编程的，程序猿读写都是针对套接字而言，那么 write( socketfd, /* 参数 */) 和 read( socketfd, /* 参数 */) 都会发生什么呢？
write 数据到 socketfd，大部分情况下，数据写到 socket 的内存 buffer，就结束了，并没有发送到对端网络（异步发送）； read socketfd 的数据，也只是从 socket 的 内存 buffer 里读数据而已，而不是从网卡读（虽然数据是从网卡一层层递上来的）；
也就是说，程序猿而言，是跟 socket 打交道，内核屏蔽了底层的细节。
那说回来 socket 的可读可写事件就很容易理解了。
socketfd 可读：其实就是 socket buffer 内有数据（超过阈值 SO_RCLOWAT ）； socketfd 可写：就是 socket buffer 还有空间让你写（阈值 SO_SNDLOWAT ）；
sockfs 文件系统
socket fd 为什么能具备“文件”的语义，从而和 eventfd，ext2 fd 这样的句柄一样，统一提供对外 io 的样子？
核心就是：sockfs ，这也是个文件系统，只不过普通用户看不见，这是只由内核管理的文件系统，位于 vfs 之下，为了封装 socket 对上的文件语义。
// net/socket.c
static int __init sock_init(void)
{
// 注册 sockfs 文件系统
err = register_filesystem(&sock_fs_type);
// 内核挂载
sock_mnt = kern_mount(&sock_fs_type);
}
其中最关键的是 sock_mnt 这个全局变量里面的超级块的操作表 sockfs_ops 。
// net/socket.c
static const struct super_operations sockfs_ops = {
.alloc_inode = sock_alloc_inode,
.destroy_inode = sock_destroy_inode,
.statfs = simple_statfs,
};
这个是每个文件系统的核心函数表，如上指明了 inode 的分配规则（这里又将体现依次结构体内嵌组合+类型强转的应用）。
读者朋友还记得 inode 和 ext4_inode_info 的关系吗？在 Linux fd 究竟是什么？一文中有提到这个：
inode 是 vfs 抽象的适配所有文件系统的结构体，但分配其实是有下层具体文件系统分配出来的，以 ext4 文件系统来说，使用 ext4_alloc_inode 函数分配出 ext4_inode_info 这个大结构体，然后返回的是 inode 的地址而已。
划重点：struct inode 内嵌于具体文件系统的 “inode” 里，vfs 层使用的是 inode，ext4 层使用的是 ext4_inode_info ，不同层次通过地址的强制转化类型来切换结构体。
那么类似，sockfs 也是如此，sockfs 作为文件系统，也有自己特色的 “inode”，这个类型就是 struct socket_alloc ，如下：
struct socket_alloc {
struct socket socket;
struct inode vfs_inode;
};
这个结构体关联 socket 和 inode 两个角色，是“文件”抽象的核心之一。分配 struct socket 结构体其实是分配了 struct socket_alloc 结构体，然后返回了 socket_alloc->socket 字段的地址而已。
从文件的角度来看 socket，模块如下：
回调唤醒的通用做法？
先铺垫一个小知识点：内核里面有回调唤醒的实现，里面有用到一种 wait queue 的做法，其实很简单的原理。
大白话原理：你要走可以，把联系方式留下，我搞好之后通知你（调用你留下的函数，传入你留下的参数）。
拿 socket 来说，struct sock 里面就有个字段 sk_wq ，这是个表头，就是用来挂接等待对象的。
谁会挂？
就以 epoll 池来说，epoll_ctl 注册 socket fd 的时候，就会挂一个 wait 对象到 sk->sk_wq 里。回调参数为 ep_poll_callback ，参数为 epitem 。
这样 epoll 给 socket 留下联系方式了（ wait 对象 ），socket 有啥事就可以随时通知到 epoll 池了。
能有什么事？
socket 可读可写了呗。sk buffer 里面有数据可以读，或者有空间可以写了呗。对于监听类型的 socket，有新的连接了呗。epoll 监听的不就是这个嘛。
socket 编程 ？
服务端：
socket( )创建出 socketfd；bind( )绑定一个端口（和客户端约定好的知名端口号）；listen( )讲套接字转化成监听套接字；accept( )等待客户端的建连请求；建连之后 read/write 处理数据即可（一般和监听线程并发）；
客户端：
socket( )创建出 socketfd；connect( )向指定机器、端口发起建连请求；建连之后，read/write 处理数据；
下面就几个关键函数做个简要实现。
定义原型：
#include<sys/socket.h>
int socket(int family, int type, int protocol)
简要跟踪下内部实现：
socket 系统调用对应了 __sys_socket 这个函数。这个函数主要做两件事情：
第一件事：调用 socket_create函数创建好 socket 相关的结构体，主要是struct socket，还有与之关联的socket sock结构，再往下就是具体网络协议对应的结构体（旁白：这里实现细节过于复杂，不在文章主干，故略去 10 万字）；第二件事：调用 sock_map_fd函数创建好struct file这个结构体，并与第一步创建出的struct socket关联起来；
涉及的一些函数调用：
__sys_socket
// 创建 struct socket 结构体
-> sock_create
// 创建 struct socket 结构，并且关联特殊 inode
-> sock_alloc
// pf 是根据 family 从 net_families 这个全局表中取出的操作函数表，用来创建具体网络协议结构的;
// 比如 IPv4 对应的 family 就是 AF_INET ，对应的函数是 inet_create
// 在这里面会赋值 sock->ops 为对应协议族的操作函数表（比如 inet_stream_ops）
-> pf->create
// struct sock 结构体的创建（sk->sk_prot 的赋值就在这里，比如 tcp_prot ）
-> sk_alloc
// struct sock 结构体的初始化(比如 sk_receive_queue, sk_write_queue, sk_error_queue 就是在这里初始化的)
// 可读写的关键函数 sock_def_readable，sock_def_write_space 也是在这里赋值的
-> sock_init_data
// 创建 struct file 结构体，并且关联 struct socket
-> sock_map_fd
先说 socket 函数：：
socket( )函数只负责创建出适配具体网络协议的资源（内存、结构体、队列等），并没有和具体地址绑定；socket( )返回的是非负整数的 fd，与struct file对应，而struct file则与具体的struct socket关联，从而实现一切皆文件的封装的一部分（另一部分 inode 的创建处理在 sock_alloc 的函数里体现）；
再简要说下内部细节：
sock_create 函数里，会根据协议族查找对应的操作表，以 AF_INET 协议族举例，pf->create 是 inet_create ，主要做两件事：
把 sock->ops按照协议类型赋值成具体的函数操作表，比如 tcp 的就是inet_stream_ops；创建了 struct sock对象，并且把struct sock初始化，并和struct socket进行关联；
着重提一点，sock_init_data 函数（ net/core/sock.c ）主要是初始化 struct sock 结构体的，提两点最关键的：
第一点：接收队列和发送队列在这里初始化；
sk_receive_queue：套接字接收到的数据（sk_buff 里面是纯粹的用户数据哦，没有 header 啥信息）； sk_write_queue：套接字要发送的数据； sk_error_queue：挂接一些 pengding 的 error 信息；
第二点：socket 的唤醒回调在这个地方设置；
sk->sk_data_ready = sock_def_readable;
sk->sk_write_space = sock_def_write_space;
为什么这里很重要，因为这个跟 socket fd 可读可写的判断逻辑，数据到了之后的唤醒路径息息相关。简述下回调链路（以套接字层为主干，其他的流程简略描述）：
sk->sk_data_ready（数据到了，该通知留下过联系方式的人了）
tcp_v4_rcv（具体协议栈处理函数）
软中断
硬中断
再说下结构体：
继续说 struct sock ，这个对象有意思了，这个也是以组合的方式往下兼容的，同一个地址强转类型得到不同层面的结构体。原理就在于：他们是一块连续的内存空间，起始地址相同。
sock -> inet_sock -> inet_connection_sock-> tcp_sock
示意图：
小思考：struct socket 和 struct sock 是两个不同的结构体？
是的。这两个是不同的结构体。属于套接字层的两个维度的描述，一个面向上层，一个面向下层。
struct socket 在内核的注释为：
struct socket - general BSD socket
struct sock 在内核的注释为：
struct sock_common - minimal network layer representation of sockets
struct socket 是内核抽象出的一个通用结构体，主要作用是放置了一些跟 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 。它们内部有相互的指针，可以获取到对方的地址。
struct socket 这个字段出生的时候其实就和一个 inode 结构体伴生出来的，由 socketfs 的 sock_alloc_inode 函数分配。
struct sock 这个结构体是 socket 套阶字核心的结构（注意，还有个结构是 struct socket，这两个是不同的结构体哦）。这个是对底下具体协议做的一层抽象封装，比如在分配 struct sock 的时候，如果是 tcp 协议，那么 sk->sk_prot 会赋值为 tcp_prot ，udp 协议赋值的是 udp_prot ，之后的一系列协议解析和处理就是调用到对应协议的回调函数。
小思考：socket fd 可以和文件一样用 write(fd, /*xxxx*/ ) 这行的调用，为什么？
write(fd, /*xxxx*/) 进到内核首先是到 vfs 层，也就是调用到 vfs_write ，在这个里面首先获取到 file 这个结构体，然后调用下层注册的回调，比如 file->f_op->write_iter ，file->f_op->write ，所以，关键在 file->f_op 这个字段，对吧？
现在的问题是，这个字段是啥呢？
这个字段在 file 结构体生成的时候，根据你的“文件”类型赋值的，这个在之前文件系统章节提过这个，比如 ext2 的文件，那么就是 ext2_file_operations ，socketfd 是 socket_file_ops。
vfs_write =>
-> socket_file_ops （sockfs）
-> ext2_file_operations （ext2）
-> ext4_file_operations （ext4）
-> eventfd_fops
可以看下 socket_file_ops 的定义：
static const struct file_operations socket_file_ops = {
.llseek = no_llseek,
.read_iter = sock_read_iter,
.write_iter = sock_write_iter,
.poll = sock_poll,
// ...
}
所以，vfs_write 调用到的将是 sock_write_iter，而这个里面就是调用到 sock_sendmsg ，从而走到网络相关的处理流程。
// sock_sendmsg 实际调用；
static inline int sock_sendmsg_nosec(struct socket *sock, struct msghdr *msg)
{
int ret = sock->ops->sendmsg(sock, msg, msg_data_left(msg));
return ret;
}
还记得上面在 socket 初始化的时候 socket->ops 和 sock->sk_prot 两个回调函数操作表的赋值吗（ tcp ）：
socket->ops=>inet_stream_opssock->sk_prot=>tcp_prot
这样从 vfs 进来，转接到具体的协议处理模块去了。
对应内核 __sys_bind 函数，做的事情很简单：
先通过 fd 找到对应的 struct socket结构体；然后把 address 和 socket 绑定对应起来（调用 sock->ops->bind函数）；
tcp 连接的对应的 bind 函数是 inet_bind，里面做的事情很简单，就是简单的查一下端口有没有被占用，没有被占用的话端口就赋值给 inet_sock->inet_sport 这个字段。
inet_sock 则是由 sk 强转类型得到。
思考个小问题：在上面的图中，bind 这个函数只在服务端用到？
为啥客户端没用这个函数呢？
其实，客户端也是可以用 bind 这个函数，但是没必要。
理解下 bind 函数的作用：给这个 socketfd 绑定地址（IP:Port）用的。客户端不需要是因为：如果没设置，内核在建连的时候会自动选一个临时的端口号作为本次 TCP 连接的地址。一般客户端也不在意端口号，只要能和服务端正常通信就好，所以客户端一般没有 bind 调用。
服务端必须要用这个是因为服务端必须提前明确指定监听的 IP 和 Port （不然谁知道向哪里发起连接呢）。
其实 socket( ) 创建出来的套接字并无客户端和服务端之分，是 listen 函数让 socket 有了不一样的属性，成为监听套接字。
listen 系统调用主要做两件事：
通过 fd 找到 struct socket结构体；调用 sock->ops->listen函数（对应inet_listen）；
inet_listen 做啥了？内核注释：
Move a socket into listening state.
简单看下 inet_listen 的实现功能：
检查 socket 状态，类型，必须为流式套接字才能转化成监听套接字； 调用 inet_csk_listen_start；
inet_csk_listen_start 做啥了？
初始化请求队列 icsk->icsk_accept_queue；套接字状态设置成 TCP_LISTEN；获取到之前 bind 的端口，如果没有设置，那么就会用个临时的端口； 把监听套接字加入到全局 hash 表中；
划重点：套接字的转变就在于此。
inet_accept （ net/ipv4/af_inet.c ）注释：
Accept a pending connection. The TCP layer now gives BSD semantics.
这个主要是从队列 icsk->icsk_accept_queue 中取请求，如果队列为空，就看 socket 是否设置了非阻塞标识，非阻塞的就直接报错 EAGAIN，否则阻塞线程等待。
所以，监听套接字的可读事件是啥？
icsk_accept_queue 队列非空。
这个队列什么时候被填充的？
tcp_child_process
-> tcp_rcv_state_process
这个也是底层网络协议回调往上调用的，tcp 三次握手之后，建立好的连接就在一个队列中 accept_queue ，队列非空则为只读。由 tcp 的协议栈往上调用，对应到 socket 层，还是会调用到 sk->sk_data_ready 。
这里还是以 epoll 管理监听套接字来举例。这个跟上面讲的数据来了一样，都是把挂接在 socket 本身上的 wait 对象进行唤醒（调用回调），这样就会到 ep_poll_callback ，ep_poll_callback 就会把监听套接字对应的 ep_item 挂到 epoll 的 ready 队列中，并且唤醒阻塞在 epoll_wait 的线程，从而实现了监听套接字的读事件的触发的流程。
这个没啥讲的，就是由客户端向服务端发起连接的时候调用，一般也和 epoll 配合不起来，略过。
句柄事件
在 深入剖析 epoll 篇 我们就提到过，epoll 池可以管理 socket fd ，用于监听 socket fd 的可读，可写事件。那么问题来了，socket fd 的可读可写事件分别是啥？代表了什么含义？
这个要把服务端的监听类型的 socket fd 和传输数据的 socket fd 分开来说。
监听类型的 fd：
有 client 建连，则触发可读事件； 句柄被 close ，则触发可读事件；
数据类型的 fd：
sk buffer 有可读的数据，触发可读事件； sk buffer 有可写的空间，触发可写事件； 句柄杯 close，连接关闭的时候，也是可读的；
还有，如果 socket 之上有 pending 的 error 待处理，那么也会触发可读事件。
epoll 池怎么配合？
最后，我们再回忆一下，epoll 池管理的 socket fd 是怎么及时触发唤醒的呢？
换句话说，socket fd 数据就绪之后，怎么能及时的唤醒被阻塞在 epoll_wait 的线程？
还记得套接字 buffer 数据来了的时候的回调吗？
调用的是 sk->sk_data_ready 这个函数指针，这个字段在 socket 初始化的时候被赋值为 sock_def_readable ，这个函数里面会依次调用所有挂接到 socket 的 wait 队列的对象（ 表头：sk->sk_wq ），在这个 wait 队列中存在和 epoll 关联的秘密。
回忆下，在 深入剖析 epoll 篇 提到，epoll_ctl 的时候，在把 socket fd 注册进 epoll 池的时候，会把一个 wait 对象挂接到这个 socket 的 sk->sk_wq 中 ，回调函数就是 ep_poll_callback 。
这个wait 对象就是数据就绪时候的联系方式，这样把 socket 数据就绪的流程和 epoll 关联上了。
也就是说，sk->sk_data_ready 会调用到 ep_poll_callback ，ep_poll_callback 这个函数处理很简单，做两件事情：
把 socket 对应的 ep_item 挂接到就绪队列中； 把阻塞在 epoll_wait的线程（Linux 进程和线程本质无区别）投递到就绪队列中，等待内核调度（也就是所谓的唤醒，实现机制很简单，就是epoll_wait阻塞切走之前，会创建出一个 wait 对象，挂到 epoll 池上，后续唤醒就能以此为依据）；
ep_poll_callback
sk->sk_data_ready
tcp_v4_rcv（具体协议栈处理函数）
软中断
硬中断
数据来了
最后用一张简要的图展示结构体之间的关系：
总结
vfs 下有一个 sockfs 的抽象层，是把 socket 抽象成“文件” fd 的关键之一； socket fd 能够和文件 IO 一样，使用 write/read 等系统调用，就得益于 vfs 帮你做的转接。那 socket()函数调用是不是就和 open 文件 fd 的效果是一样的呀？是的，都是构建并关联各种内核结构体；epoll 池能管理 socketfd，因为 socket fd 实现 poll 接口； epoll_ctl 注册 socket fd 的时候，挂了个 wait 对象在 socket 的 sk_wq 里，所以数据就绪的时候，socket 才能通知到 epoll； epoll_wait 切走的时候挂了个 wait 对象在 epoll 上，所以 epoll 就绪的时候，才能有机会唤醒阻塞的线程； 套接字由 socket()创建出来，客户端和服务端都是，listen()调用可以把套接字转化成监听套接字；监听套接字一般只监听可读事件，关注连接的建立，普通套接字走数据流，关注数据的读写事件；
后记
网络模块贼复杂，但是套接字编程贼简单，我们先从套接字编程入手，慢慢掌握吧。先理解 socket fd 是什么，迈出第一步。
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