linux內核中socket的建立過程源碼分析（總結性質）

     在漫長地分析完socket的建立源碼後，發現一片漿糊，因此特此總結，個人博客中同時有另一篇詳細的源碼分析，內核版本爲3.9，建議在閱讀本文後若還有興趣再去看另一篇博文。絕對不要單獨看另一篇。

　　

一：調用鏈：

 

二：數據結構

一一看一下每一個數據結構的意義：

1) socket, sock, inet_sock, tcp_sock的關係
建立完sk變量後，回到inet_create函數中：

這裏是根據sk變量獲得inet_sock變量的地址；這裏注意區分各個不一樣結構體。
a. struct socket：這個是基本的BSD socket，面向用戶空間，應用程序經過系統調用開始建立的socket都是該結構體，它是基於虛擬文件系統建立出來的；
類型主要有三種，即流式、數據報、原始套接字協議；

b. struct sock：它是網絡層的socket；對應有TCP、UDP、RAW三種，面向內核驅動；

其狀態相比socket結構更精細：

c. struct inet_sock：它是INET域的socket表示，是對struct sock的一個擴展，提供INET域的一些屬性，如TTL，組播列表，IP地址，端口等；
d. struct raw_socket：它是RAW協議的一個socket表示，是對struct inet_sock的擴展，它要處理與ICMP相關的內容；
e. sturct udp_sock：它是UDP協議的socket表示，是對struct inet_sock的擴展；
f. struct inet_connection_sock：它是全部面向鏈接的socket表示，是對struct inet_sock的擴展；

g. struct tcp_sock：它是TCP協議的socket表示，是對struct inet_connection_sock的擴展，主要增長滑動窗口，擁塞控制一些TCP專用屬性；
h. struct inet_timewait_sock：它是網絡層用於超時控制的socket表示；
i. struct tcp_timewait_sock：它是TCP協議用於超時控制的socket表示；

 

三：具體過程

一、函數入口：
1) 示例代碼以下：

 

int server_sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);  

2) 入口：
net/Socket.c:sys_socketcall()，根據子系統調用號，建立socket會執行sys_socket()函數；

二、分配socket結構：
1) 調用鏈：
net/Socket.c:sys_socket()->sock_create()->__sock_create()->sock_alloc()；

2) 在socket文件系統中建立i節點：

inode = new_inode(sock_mnt->mnt_sb);  
這裏，new_inode函數是文件系統的通用函數，其做用是在相應的文件系統中建立一個inode；其主要代碼以下(fs/Inode.c)：

上面有個條件判斷：if (sb->s_op->alloc_inode)，意思是說若是當前文件系統的超級塊有本身分配inode的操做函數，則調用它本身的函數分配inode，不然從公用的高速緩存區中分配一塊inode；

3) 建立socket專用inode：
在「socket文件系統註冊」一文中後面提到，在安裝socket文件系統時，會初始化該文件系統的超級塊，此時會初始化超級塊的操做指針s_op爲sockfs_ops結構；所以此時分配inode會調用sock_alloc_inode函數來完成：實際上分配了一個socket_alloc結構體，該結構體包含socket和inode，但最終返回的是該結構體中的inode成員；至此，socket結構和inode結構均分配完畢；分配inode後，應用程序即可以經過文件描述符對socket進行read()/write()之類的操做，這個是由虛擬文件系統(VFS)來完成的。

三、根據inode取得socket對象：
因爲建立inode是文件系統的通用邏輯，所以其返回值是inode對象的指針；但這裏在建立socket的inode後，須要根據inode獲得socket對象；內聯函數SOCKET_I由此而來，這裏使用兩個重要宏containerof和offsetof

四、使用協議族來初始化socket：

1) 註冊AF_INET協議域：

在「socket文件系統註冊」中提到系統初始化的工做，AF_INET的註冊也正是經過這個來完成的；

初始化入口net/ipv4/Af_inet.c：這裏調用sock_register函數來完成註冊：

根據family將AF_INET協議域inet_family_ops註冊到內核中的net_families數組中；下面是其定義：

static struct net_proto_family inet_family_ops = {      .family = PF_INET,       .create = inet_create,      .owner  = THIS_MODULE,  };  

其中，family指定協議域的類型，create指向相應協議域的socket的建立函數；

2) 套接字類型

在相同的協議域下，可能會存在多個套接字類型；如AF_INET域下存在流套接字(SOCK_STREAM)，數據報套接字(SOCK_DGRAM)，原始套接字（SOCK_RAW），在這三種類型的套接字上創建的協議分別是TCP, UDP，ICMP/IGMP等。

在Linux內核中，結構體struct proto表示域中的一個套接字類型，它提供該類型套接字上的全部操做及相關數據(在內核初始化時會分配相應的高速緩衝區，見上面提到的inet_init函數)。

AF_IENT域的這三種套接字類型定義用結構體inet_protosw(net/ipv4/Af_inet.c)來表示，以下：其中，tcp_prot(net/ipv4/Tcp_ipv4.c)、 udp_prot(net/ipv4/Udp.c)、raw_prot(net/ipv4/Raw.c)分別表示三種類型的套接字，分別表示相應套接字的 操做和相關數據；ops成員提供該協議域的所有操做集合，針對三種不一樣的套接字類型，有三種不一樣的域操做inet_stream_ops、 inet_dgram_ops、inet_sockraw_ops，其定義均位於net/ipv4/Af_inet.c下；

內 核初始化時，在inet_init中，會將不一樣的套接字存放到全局變量inetsw中統一管理；inetsw是一個鏈表數組，每一項都是一個struct inet_protosw結構體的鏈表，總共有SOCK_MAX項，在inet_init函數對AF_INET域進行初始化的時候，調用函數 inet_register_protosw把數組inetsw_array中定義的套接字類型所有註冊到inetsw數組中；其中相同套接字類型，不一樣 協議類型的套接字經過鏈表存放在到inetsw數組中，以套接字類型爲索引，在系統實際使用的時候，只使用inetsw，而不使用 inetsw_array；

 

3) 使用協議域來初始化socket

 

瞭解了上面的知識後，咱們再回到net/Socket.c:sys_socket()->sock_create()->__sock_create()中：

pf = rcu_dereference(net_families[family]);  err = pf->create(net, sock, protocol);  

上面的代碼中，找到內核初始化時註冊的協議域，而後調用其create方法；

五、分配sock結構：

  sk是網絡層對於socket的表示，結構體struct sock比較龐大，這裏不詳細列出，只介紹一些重要的成員，sk_prot和sk_prot_creator，這兩個成員指向特定的協議處理函數集，其類型是結構體struct proto，struct proto類型的變量在協議棧中總共也有三個.其調用鏈以下：

net/Socket.c:sys_socket()->sock_create()->__sock_create()->net/ipv4/Af_inet.c:inet_create()；

inet_create()主要完成如下幾個工做：

1) 設置socket的狀態爲SS_UNCONNECTED；

 

sock->state = SS_UNCONNECTED;  

 

 

2) 根據socket的type找到對應的套接字類型：

因爲同一type不一樣protocol的套接字保存在inetsw中的同一鏈表中，所以須要遍歷鏈表來查找；在上面的例子中，會將protocol從新賦值爲answer->protocol，即IPPROTO_TCP，其值爲6；

3) 使用匹配的協議族操做集初始化sk；

結合源碼，sock變量的ops指向inet_stream_ops結構體變量；

4) 分配sock結構體變量 net/Socket.c:sys_socket()->sock_create()->__sock_create()->net /ipv4/Af_inet.c:inet_create()->net/core/Sock.c:sk_alloc()：

其中，answer_prot指向tcp_prot結構體變量；

其中，sk_prot_alloc分配sock結構體變量；因爲在inet_init中爲不一樣的套接字分配了高速緩衝區，所以該sock結構體變量會在該緩衝區中分配空間；分配完成後，對其作一些初始化工做：

i) 初始化sk變量的sk_prot和sk_prot_creator；
ii) 初始化sk變量的等待隊列；
iii) 設置net空間結構，並增長引用計數；

六、創建socket結構與sock結構的關係：

inet = inet_sk(sk);  

這裏爲何能直接將sock結構體變量強制轉化爲inet_sock結構體變量呢？只有一種可能，那就是在分配sock結構體變量時，真正分配的是inet_sock或是其餘結構體；

咱們回到分配sock結構體的那塊代碼(參考前面的5.4小節：net/core/Sock.c)：

 

static struct sock *sk_prot_alloc(struct proto *prot, gfp_t priority, int family) {      struct sock *sk;      struct kmem_cache *slab;        slab = prot->slab;      if (slab != NULL)          sk = kmem_cache_alloc(slab, priority);      else          sk = kmalloc(prot->obj_size, priority);        return sk;  }  

上面的代碼在分配sock結構體時，有兩種途徑，一是從tcp專用高速緩存中分配；二是從內存直接分配；前者在初始化高速緩存時，指定告終構體大小爲prot->obj_size；後者也有指定大小爲prot->obj_size，

根據這點，咱們看下tcp_prot變量中的obj_size(net/ipv4/Tcp_ipv4.c)：

 

.obj_size       = sizeof(struct tcp_sock),  

也就是說，分配的真實結構體是tcp_sock；因爲tcp_sock、inet_connection_sock、inet_sock、sock之間均爲0處偏移量，所以能夠直接將tcp_sock直接強制轉化爲inet_sock。

2) 創建socket, sock的關係
建立完sock變量以後，即是初始化sock結構體，並創建sock與socket之間的引用關係；調用鏈以下：
net/Socket.c:sys_socket()->sock_create()->__sock_create()->net /ipv4/Af_inet.c:inet_create()->net/core/Sock.c:sock_init_data()：
該函數主要工做是：
a. 初始化sock結構的緩衝區、隊列等；
b. 初始化sock結構的狀態爲TCP_CLOSE；
c. 創建socket與sock結構的相互引用關係；

七、使用tcp協議初始化sock：
inet_create()函數最後，經過相應的協議來初始化sock結構：這裏調用的是tcp_prot的init鉤子函數net/ipv4/Tcp_ipv4.c:tcp_v4_init_sock()，它主要是對tcp_sock和inet_connection_sock進行一些初始化；

八、socket與文件系統關聯：

建立好與socket相關的結構後，須要與文件系統關聯，詳見sock_map_fd()函數：

1) 申請文件描述符，並分配file結構和目錄項結構；2) 關聯socket相關的文件操做函數表和目錄項操做函數表；3) 將file->private_date指向socket；socket與文件系統關聯後，之後即可以經過文件系統read/write對socket進行操做了；