带你理解Linux内核理解socket的本质

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本文将从一个初学者的角度开始聊起，让大家了解 Socket 是什么以及它的原理和内核实现。
一、Socket 的概念
Socket 就如同我们日常生活中的插头与插座的连接关系。在网络编程中，Socket 是一种实现网络通信的接口或机制。 想象一下，插头插入插座后，电流得以流通，实现了能量的传递。而在网络世界里，当一个程序使用 Socket 与另一台机子建立“连接”时，就如同插头成功插入了插座，数据能够在两者之间进行流通和交换。

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例如，当我们在网上聊天时，发送方的程序通过 Socket 将消息发送出去，接收方的程序通过对应的 Socket 接收这些消息。又比如在下载文件时，下载程序通过 Socket 与提供文件的服务器建立连接，从而能够获取到所需的文件数据。总之，它是网络通信的端点，用于在不同的计算机进程之间进行通信，而计算机中通过五元组：协议类型、源IP地址、源端口号、目标IP地址、目标端口号，通过五元组来唯一
二、Socket 的使用场景
我们想要将数据从 A 电脑的某个进程发到 B 电脑的某个进程。如果需要确保数据能发给对方，就选可靠的 TCP 协议；如果数据丢了也没关系，就选择不可靠的 UDP 协议。初学者一般首选 TCP。
这时就需要用 socket 进行编程，首先创建关于 TCP 的 socket：

#include #include #include #include  int main() {    int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);    if (sock_fd == -1) {        std::cerr "Failed to create socket"         return 1;    }     // 后续代码...     return 0;}这个方法会返回 sock_fd，它是 socket 文件的句柄。
对于服务端，得到 sock_fd 后，依次执行 bind()、listen()、accept() 方法，等待客户端的连接请求；对于客户端，得到 sock_fd 后，执行 connect() 方法向服务端发起建立连接的请求，此时会发生 TCP 三次握手。
连接建立完成后，客户端可以执行 send() 方法发送消息，服务端可以执行 recv() 方法接收消息，反之亦然。

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三、Socket 的设计
现在我们抛开socket，重新设计一个内核网络传输功能。我们想要将数据从 A 电脑的某个进程发到 B 电脑的某个进程，从操作上来看，就是发数据给远端和从远端接收数据，也就是写数据和读数据。
但这里有两个问题：

接收端和发送端可能不止一个，因此需要用 IP 和端口做区分，IP 用来定位是哪台电脑，端口用来定位是这台电脑上的哪个进程。

发送端和接收端的传输方式有很多区别，如可靠的 TCP 协议、不可靠的 UDP 协议，甚至还需要支持基于 icmp 协议的 ping 命令。
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为了支持这些功能，需要定义一个数据结构 sock，在 sock 里加入 IP 和端口字段。这些协议虽然各不相同，但有一些功能相似的地方，可以将不同的协议当成不同的对象类（或结构体），将公共的部分提取出来，通过“继承”的方式复用功能。
于是，定义了一些数据结构：
sock 是最基础的结构，维护一些任何协议都有可能会用到的收发数据缓冲区。
在 Linux 内核 2.6 相关的源码中，sock 结构体的定义可能类似于：

struct sock {    // 相关字段    struct sk_buff_head sk_receive_queue; // 接收数据缓冲区    struct sk_buff_head sk_write_queue;  // 发送数据缓冲区    // 其他可能的字段};inet_sock 特指用了网络传输功能的 sock，在 sock 的基础上还加入了 TTL、端口、IP 地址这些跟网络传输相关的字段信息。比如 Unix domain socket，用于本机进程之间的通信，直接读写文件，不需要经过网络协议栈。
可能的定义：

struct inet_sock {    struct sock sk; // 继承自 sock    __be32 port;    // 端口    __be32 saddr;   // IP 地址    // 其他相关字段};inet_connection_sock 是指面向连接的 sock，在 inet_sock 的基础上加入面向连接的协议里相关字段，比如 accept 队列、数据包分片大小、握手失败重试次数等。虽然现在提到面向连接的协议就是指 TCP，但设计上 Linux 需要支持扩展其他面向连接的新协议。
例如：

struct inet_connection_sock {    struct inet_sock inet; // 继承自 inet_sock    struct request_sock_queue accept_queue; // accept 队列    // 其他相关字段};tcp_sock 就是正儿八经的 TCP 协议专用的 sock 结构，在 inet_connection_sock 基础上还加入了 TCP 特有的滑动窗口、拥塞避免等功能。同样 UDP 协议也会有一个专用的数据结构，叫 udp_sock。
大概如下：

struct tcp_sock {    struct inet_connection_sock icsk; // 继承自 inet_connection_sock    // TCP 特有的字段，如滑动窗口、拥塞避免等相关字段};

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有了这套数据结构，将它跟硬件网卡对接一下，就实现了网络传输的功能。
四、提供 Socket 层
由于这里面的代码复杂，还操作了网卡硬件，需要较高的操作系统权限，再考虑到性能和安全，于是将它放在操作系统内核里。
为了让用户空间的应用程序使用这部分功能，将这部分功能抽象成简单的接口，将内核的 sock 封装成文件。创建 sock 的同时也创建一个文件，文件有个文件描述符 fd，通过它可以唯一确定是哪个 sock。将fd暴露给用户，用户就可以像操作文件句柄那样去操作这个 sock 。

struct file{    //文件相关的字段    .....    void *private_data; //指向sock}创建socket时，其实就是创建了一个文件结构体，并将private_data字段指向sock。

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有了 sock_fd 句柄后，提供了一些接口，如 send()、recv()、bind()、listen()、connect() 等，这些就是 socket 提供出来的接口。
所以说，socket 其实就是个代码库或接口层，它介于内核和应用程序之间，提供了一堆接口，让我们去使用内核功能，本质上就是一堆高度封装过的接口。
我们平时写的应用程序里代码里虽然用了socket实现了收发数据包的功能，但其 实真正执行网络通信功能的，不是应用程序，而是linux内核。

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在操作系统内核空间里，实现网络传输功能的结构是sock，基于不同的协议和应用场景，会被泛化为各种类型的xx_sock，它们结合硬件，共同实现了网络传输功能。为了将这部分功能暴露给用户空间的应用程序使用，于是引入了socket层，同时将sock嵌入到文件系统的框架里，sock就变成了一个特殊的文件，用户就可以在用户空间使用文件句柄，也就是socket_fd来操作内核sock的网络传输能力。
五、Socket 如何实现网络通信
以最常用的 TCP 协议为例，实现网络传输功能分为建立连接和数据传输两个阶段。
（一）建立连接
在客户端，执行 socket 提供的 connect(sockfd, "ip:port") 方法时，会通过 sockfd 句柄找到对应的文件，再根据文件里的信息指向内核的 sock 结构，通过这个 sock 结构主动发起三次握手。
在服务端，握手次数还没达到“三次”的连接叫半连接，完成好三次握手的连接叫全连接，它们分别会用半连接队列和全连接队列来存放，这两个队列会在执行 listen() 方法的时候创建好。当服务端执行 accept() 方法时，就会从全连接队列里拿出一条全连接。
虽然都叫队列，但半连接队列其实是个哈希表，而全连接队列其实是个链表。
在 Linux 内核 2.6 版本的源码中，相关的代码实现可能位于网络子系统的部分。例如，建立连接的过程可能涉及到 tcp_connect() 等函数。
（二）数据传输
为了实现发送和接收数据的功能，sock 结构体里带了一个发送缓冲区和一个接收缓冲区，其实就是个链表，上面挂着一个个准备要发送或接收的数据。
当应用执行 send() 方法发送数据时，会通过 sock_fd 句柄找到对应的文件，根据文件指向的 sock 结构，找到这个 sock 结构里带的发送缓冲区，将数据放到发送缓冲区，然后结束流程，内核看心情决定什么时候将这份数据发送出去。

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接收数据流程也类似，当数据送到 Linux 内核后，先放在接收缓冲区中，等待应用程序执行 recv() 方法来拿。
当应用进程执行 recv() 方法尝试获取（阻塞场景下）接收缓冲区的数据时，如果有数据，取走就好；如果没数据，就会将自己的进程信息注册到这个 sock 用的等待队列里，然后进程休眠。如果这时候有数据从远端发过来了，数据进入到接收缓冲区时，内核就会取出 sock 的等待队列里的进程，唤醒进程来取数据。

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当多个进程通过 fork 的方式 listen 了同一个 socket_fd，在内核它们都是同一个 sock，多个进程执行 listen() 之后，都会将自身的进程信息注册到这个 socket_fd 对应的内核 sock 的等待队列中。在 Linux 2.6 以前，会唤醒等待队列里的所有进程，但最后其实只有一个进程会处理这个连接请求，其他进程又重新进入休眠，会消耗一定的资源，这就是惊群效应。在 Linux 2.6 之后，只会唤醒等待队列里的其中一个进程，这个问题被修复了。
服务端 listen 的时候，那么多数据到一个 socket 怎么区分多个客户端的？以 TCP 为例，服务端执行 listen 方法后，会等待客户端发送数据来。客户端发来的数据包上会有源 IP 地址和端口，以及目的 IP 地址和端口，这四个元素构成一个四元组，可以用于唯一标记一个客户端。服务端会创建一个新的内核 sock，并用四元组生成一个 hash key，将它放入到一个 hash 表中。下次再有消息进来的时候，通过消息自带的四元组生成 hash key 再到这个 hash 表 里重新取出对应的 sock 就好了。

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六、Socket 怎么实现“继承”
Linux 内核是 C 语言实现的，而 C 语言没有类也没有继承的特性，是通过结构体里的内存是连续的这一特点来实现“继承”的效果。将要继承的“父类”，放到结构体的第一位，然后通过结构体名的长度来强行截取内存，这样就能转换结构体，从而实现类似“继承”的效果。

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例如：

struct tcp_sock {    /* inet_connection_sock has to be the first member of tcp_sock */    struct inet_connection_sock inet_conn;    // 其他字段}; struct inet_connection_sock {    /* inet_sock has to be the first member! */    struct inet_sock icsk_inet;    // 其他字段}; // sock 转为 tcp_sockstatic inline struct tcp_sock *tcp_sk(const struct sock *sk) {    return (struct tcp_sock *)sk;}七、总结

socket 中文套接字，可理解为一套用于连接的数字。

sock 在内核，socket_fd 在用户空间，socket 层介于内核和用户空间之间。

在操作系统内核空间里，实现网络传输功能的结构是 sock，基于不同的协议和应用场景，会被泛化为各种类型的 xx_sock，它们结合硬件，共同实现了网络传输功能。为了将这部分功能暴露给用户空间的应用程序使用，于是引入了 socket 层，同时将 sock 嵌入到文件系统的框架里，sock 就变成了一个特殊的文件，用户就可以在用户空间使用文件句柄，也就是 socket_fd 来操作内核 sock 的网络传输能力。

服务端可以通过四元组来区分多个客户端。

内核通过 C 语言“结构体里的内存是连续的”这一特点实现了类似继承的效果。
end

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