Linux内核 | socket底层的来龙去脉
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 < 0)
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 < 0 || family >= NPROTO)
return -EAFNOSUPPORT;
if (type < 0 || 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\n");
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 < 0)
goto out_module_put;
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 < 0)) {
sock_release(sock);
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。
end
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