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：
static Struct inode *ext4_alloc_inode(struct super_block *sb) { struct ext4_inode_info *ei; ei = kmem_cache_alloc(ext4_inode_cachep, GFP_NOFS); if (!ei) return NULL; ei->vfs_inode.i_version = 1; spin_lock_init(&ei->i_raw_lock); INIT_LIST_HEAD(&ei->i_prealloc_list); spin_lock_init(&ei->i_prealloc_lock); ext4_es_init_tree(&ei->i_es_tree); rwlock_init(&ei->i_es_lock); INIT_LIST_HEAD(&ei->i_es_list); ei->i_es_all_nr = 0; ei->i_es_shk_nr = 0; ei->i_es_shrink_lblk = 0; ei->i_reserved_data_blocks = 0; ei->i_da_metadata_calc_len = 0; ei->i_da_metadata_calc_last_lblock = 0; spin_lock_init(&(ei->i_block_reservation_lock)); #ifdef CONFIG_QUOTA ei->i_reserved_quota = 0; memset(&ei->i_dquot, 0, sizeof(ei->i_dquot)); #endif ei->jinode = NULL; INIT_LIST_HEAD(&ei->i_rsv_conversion_list); spin_lock_init(&ei->i_completed_io_lock); ei->i_sync_tid = 0; ei->i_datasync_tid = 0; atomic_set(&ei->i_unwritten, 0); INIT_WORK(&ei->i_rsv_conversion_work, ext4_end_io_rsv_work); return &ei->vfs_inode; }
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。
struct ext4_inode_info { __le32 i_data[15]; /* unconverted */ __u32 i_dtime; ext4_fsblk_t i_file_acl; ...... struct rw_semaphore i_data_sem; struct rw_semaphore i_mmap_sem; struct inode vfs_inode; struct jbd2_inode *jinode; ...... };
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
struct ext4_inode { __le16 i_mode; /* File mode */ __le16 i_uid; /* Low 16 bits of Owner Uid */ __le32 i_size_lo; /* Size in bytes */ __le32 i_atime; /* Access time */ __le32 i_ctime; /* Inode Change time */ __le32 i_mtime; /* Modification time */ __le32 i_dtime; /* Deletion Time */ __le16 i_gid; /* Low 16 bits of Group Id */ __le16 i_links_count; /* Links count */ __le32 i_blocks_lo; /* Blocks count */ __le32 i_flags; /* File flags */ ...... }
ext4_inode_info是ext4文件系统的inode在内存中管理结构体：
struct ext4_inode_info { __le32 i_data[15]; /* unconverted */ __u32 i_dtime; ext4_fsblk_t i_file_acl; ...... };
inode是文件系统抽象层：
struct inode { umode_t i_mode; unsigned short i_opflags; kuid_t i_uid; kgid_t i_gid; unsigned int i_flags; /* 对inode操作的具体方法 * 不同的文件系统会注册不同的函数方法即可 */ const struct inode_operations *i_op; struct super_block *i_sb; struct address_space *i_mapping; unsigned long i_ino; union { const unsigned int i_nlink; unsigned int __i_nlink; }; dev_t i_rdev; /* 文件大小 */ loff_t i_size; /* 文件最后访问时间 */ struct timespec i_atime; /* 文件最后修改时间 */ struct timespec i_mtime; /* 文件创建时间 */ struct timespec i_ctime; spinlock_t i_lock; /* i_blocks, i_bytes, maybe i_size */ unsigned short i_bytes; unsigned int i_blkbits; enum rw_hint i_write_hint; blkcnt_t i_blocks; /* Misc */ unsigned long i_state; struct rw_semaphore i_rwsem; unsigned long dirtied_when; /* jiffies of first dirtying */ unsigned long dirtied_time_when; /* inode通过以下结构被加入到的各种链表 */ struct hlist_node i_hash; struct list_head i_io_list; /* backing dev IO list */ struct list_head i_lru; /* inode LRU list */ struct list_head i_sb_list; struct list_head i_wb_list; /* backing dev writeback list */ union { struct hlist_head i_dentry; struct rcu_head i_rcu; }; atomic64_t i_version; atomic_t i_count; atomic_t i_dio_count; atomic_t i_writecount; /* 对文件操作(如文件读写等)的具体方法 * 实现虚拟文件系统的核心结构 * 不同的文件系统只需要注册不同的函数方法即可 */ const struct file_operations *i_fop; /* former ->i_op->default_file_ops */ struct file_lock_context *i_flctx; struct address_space i_data; struct list_head i_devices; union { struct pipe_inode_info *i_pipe; struct block_device *i_bdev; struct cdev *i_cdev; char *i_link; unsigned i_dir_seq; }; __u32 i_generation; void *i_private; /* fs or device private pointer */ } __randomize_layout;
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：
static inline struct ext4_inode_info *EXT4_I(struct inode *inode) { return container_of(inode, struct ext4_inode_info, vfs_inode); }
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_alloc { struct socket socket; struct inode vfs_inode; };
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。
static const struct super_operations sockfs_ops = { .alloc_inode = sock_alloc_inode, .destroy_inode = sock_destroy_inode, .statfs = simple_statfs, }
sockfs文件系统的inode分配函数是sock_alloc_inode，如下所示：
static struct inode *sock_alloc_inode(struct super_block *sb) { struct socket_alloc *ei; struct socket_wq *wq; ei = kmem_cache_alloc(sock_inode_cachep, GFP_KERNEL); if (!ei) return NULL; wq = kmalloc(sizeof(*wq), GFP_KERNEL); if (!wq) { kmem_cache_free(sock_inode_cachep, ei); return NULL; } init_waitqueue_head(&wq->wait); wq->fasync_list = NULL; wq->flags = 0; RCU_INIT_POINTER(ei->socket.wq, wq); ei->socket.state = SS_UNCONNECTED; ei->socket.flags = 0; ei->socket.ops = NULL; ei->socket.sk = NULL; ei->socket.file = NULL; return &ei->vfs_inode; }
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:
static inline struct socket *SOCKET_I(struct inode *inode) { return &container_of(inode, struct socket_alloc, vfs_inode)->socket; }
二、socket的创建与初始化
首先看一下struct socket在内核中的定义：
struct socket { socket_state state;//socket状态 short type; //socket类型 unsigned long flags;//socket的标志位 struct socket_wq __rcu *wq; struct file *file;//与socket关联的文件指针 struct sock *sk;//套接字的核心，面向底层网络具体协议 const struct proto_ops *ops;//socket函数操作集 };
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.
SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol) { int retval; struct socket *sock; int flags; /* Check the SOCK_* constants for consistency. */ BUILD_BUG_ON(SOCK_CLOEXEC != O_CLOEXEC); BUILD_BUG_ON((SOCK_MAX | SOCK_TYPE_MASK) != SOCK_TYPE_MASK); BUILD_BUG_ON(SOCK_CLOEXEC & SOCK_TYPE_MASK); BUILD_BUG_ON(SOCK_NONBLOCK & SOCK_TYPE_MASK); flags = type & ~SOCK_TYPE_MASK; if (flags & ~(SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK)) return -EINVAL; type &= SOCK_TYPE_MASK; if (SOCK_NONBLOCK != O_NONBLOCK && (flags & SOCK_NONBLOCK)) flags = (flags & ~SOCK_NONBLOCK) | O_NONBLOCK; retval = sock_create(family, type, protocol, &sock); if (retval return retval; return sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK)); }
socket的创建将调用sock_create函数：
int sock_create(int family, int type, int protocol, struct socket **res) { return __sock_create(current->nsproxy->net_ns, family, type, protocol, res, 0); }
__sock_create函数调用sock_alloc函数分配socket结构和文件节点：
int __sock_create(struct net *net, int family, int type, int protocol, struct socket **res, int kern) { int err; struct socket *sock; const struct net_proto_family *pf; //检查family的字段范围 if (family = NPROTO) return -EAFNOSUPPORT; if (type type >= SOCK_MAX) return -EINVAL; ...... sock = sock_alloc();//分配socket和inode，返回sock if (!sock) { net_warn_ratelimited("socket: no more sockets "); return -ENFILE; /* Not exactly a match, but its the closest posix thing */ } sock->type = type; ...... rcu_read_lock(); pf = rcu_dereference(net_families[family]);//获取协议族family对应的操作表 err = -EAFNOSUPPORT; if (!pf) goto out_release; if (!try_module_get(pf->owner)) goto out_release; /* Now protected by module ref count */ rcu_read_unlock(); err = pf->create(net, sock, protocol, kern);//调用family协议族的socket创建函数 if (err if (!try_module_get(sock->ops->owner)) goto out_module_busy; ...... }
socket结构体的创建在sock_alloc()函数中：
struct socket *sock_alloc(void) { struct inode *inode; struct socket *sock; inode = new_inode_pseudo(sock_mnt->mnt_sb); if (!inode) return NULL; sock = SOCKET_I(inode); inode->i_ino = get_next_ino(); inode->i_mode = S_IFSOCK | S_IRWXUGO; inode->i_uid = current_fsuid(); inode->i_gid = current_fsgid(); inode->i_op = &sockfs_inode_ops; this_cpu_add(sockets_in_use, 1); return sock; }
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：
struct net_proto_family { int family; int (*create)(struct net *net, struct socket *sock, int protocol, int kern); struct module *owner; };
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
static int sock_map_fd(struct socket *sock, int flags) { struct file *newfile; int fd = get_unused_fd_flags(flags);//为socket分配文件号和文件结构 if (unlikely(fd return fd; } newfile = sock_alloc_file(sock, flags, NULL);//分配file对象 if (likely(!IS_ERR(newfile))) { fd_install(fd, newfile);//使文件号与文件结构挂钩 return fd; } put_unused_fd(fd); return PTR_ERR(newfile); }
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
struct file *sock_alloc_file(struct socket *sock, int flags, const char *dname) { ...... file = alloc_file(&path, FMODE_READ | FMODE_WRITE, &socket_file_ops);//分配struct file结构体 if (IS_ERR(file)) { /* drop dentry, keep inode for a bit */ ihold(d_inode(path.dentry)); path_put(&path); /* ... and now kill it properly */ sock_release(sock); return file; } sock->file = file; //socket通过其file字段进行关联 file->f_flags = O_RDWR | (flags & O_NONBLOCK); file->private_data = sock;//file通过private_data与socket关联 return file; //返回初始化、关联后的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：
struct file *alloc_file(const struct path *path, fmode_t mode, const struct file_operations *fop) { struct file *file; file = get_empty_filp(); if (IS_ERR(file)) return file; file->f_path = *path; file->f_inode = path->dentry->d_inode; file->f_mapping = path->dentry->d_inode->i_mapping; file->f_wb_err = filemap_sample_wb_err(file->f_mapping); if ((mode & FMODE_READ) && likely(fop->read || fop->read_iter)) mode |= FMODE_CAN_READ; if ((mode & FMODE_WRITE) && likely(fop->write || fop->write_iter)) mode |= FMODE_CAN_WRITE; file->f_mode = mode; file->f_op = fop; if ((mode & (FMODE_READ | FMODE_WRITE)) == FMODE_READ) i_readcount_inc(path->dentry->d_inode); return file; }
其中file->f_op = fop，将socket_file_ops传递给文件操作表
static const struct file_operations socket_file_ops = { .owner = THIS_MODULE, .llseek = no_llseek, .read_iter = sock_read_iter, .write_iter = sock_write_iter, .poll = sock_poll, .unlocked_ioctl = sock_ioctl, #ifdef CONFIG_COMPAT .compat_ioctl = compat_sock_ioctl, #endif .mmap = sock_mmap, .release = sock_close, .fasync = sock_fasync, .sendpage = sock_sendpage, .splice_write = generic_splice_sendpage, .splice_read = sock_splice_read, };
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()
ssize_t __vfs_write(struct file *file, const char __user *p, size_t count, loff_t *pos) { if (file->f_op->write)//如果文件函数表结构体提供了write接口函数 return file->f_op->write(file, p, count, pos);//调用它的write函数 else if (file->f_op->write_iter) return new_sync_write(file, p, count, pos);//否则调用new_sync_write函数 else return -EINVAL; }
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:
static ssize_t new_sync_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t len, loff_t *ppos) { ...... ret = call_write_iter(filp, &kiocb, &iter); ...... }
call_write_iter:
static inline ssize_t call_write_iter(struct file *file, struct kiocb *kio,struct iov_iter *iter) { return file->f_op->write_iter(kio, iter);//调用socket文件函数表的aio_write函数 }
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：
static struct socket *sockfd_lookup_light(int fd, int *err, int *fput_needed) { struct fd f = fdget(fd);//通过socket fd获取struct fd结构体，struct fd结构体中有struct file结构 struct socket *sock; *err = -EBADF; if (f.file) { sock = sock_from_file(f.file, err);//通过获取的struct file结构体获取相应的struct socket指针 if (likely(sock)) { *fput_needed = f.flags; return sock; } fdput(f); } return NULL; }
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：
struct socket *sock_from_file(struct file *file, int *err) { if (file->f_op == &socket_file_ops) return file->private_data; /* set in sock_map_fd */ *err = -ENOTSOCK; return NULL; }
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。
