深入 Linux 核心理解 socket 的本質

本文將從一個初學者的角度開始聊起，讓大家了解 Socket 是什麼以及它的原理和核心實作。

一、Socket 的概念
 Socket 就如同我們日常生活中的插頭與插座的連結關係。在網路程式設計中，Socket 是一種實現網路通訊的介面或機制。 想像一下，插頭插入插座後，電流得以流通，實現了能量的傳遞。而在網路世界裡，當一個程式使用 Socket 與另一台機子建立「連接」時，就如同插頭成功插入了插座，資料能夠在兩者之間進行流通和交換。

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。
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：

這個方法會回傳 sock_fd，它是 socket 檔案的句柄。

對於服務端，得到 sock_fd 後，依序執行 bind()、listen()、accept() 方法，等待客戶端的連線請求；對於用戶端，得到 sock_fd 後，執行 connect() 方法向服務端發起建立連線的請求，此時會發生 TCP 三次握手。

連線建立完成後，客戶端可以執行 send() 方法傳送訊息，服務端可以執行 recv() 方法接收訊息，反之亦然。

三、Socket 的設計
現在我們拋開socket，重新設計一個內核網路傳輸功能。我們想要將資料從 A 電腦的某個進程發到 B 電腦的某個進程，從操作來看，就是發資料給遠端和從遠端接收資料，也就是寫資料和讀取資料。

但這裡有兩個問題：

接收端和發送端可能不只一個，因此需要用 IP 和連接埠做區分，IP 用來定位是哪一台電腦，而連接埠用來定位是這台電腦上的哪個進程。
發送端和接收端的傳輸方式有很多區別，例如可靠的 TCP 協定、不可靠的 UDP 協議，甚至還需要支援基於 icmp 協定的 ping 命令。

為了支援這些功能，需要定義一個資料結構 sock，在 sock 裡加入 IP 和連接埠欄位。這些協議雖然各不相同，但有一些功能相似的地方，可以將不同的協議當成不同的物件類別（或結構體），將公共的部分提取出來，透過「繼承」的方式重複使用功能。

於是，定義了一些資料結構：

sock 是最基礎的架構，維護一些任何協定都有可能會用到的收發資料緩衝區。

在 Linux 核心 2.6 相關的原始碼中，sock 結構體的定義可能類似於：


inet_sock 特別指用了網路傳輸功能的 sock，在 sock 的基礎上也加入了 TTL、連接埠、IP 位址這些跟網路傳輸相關的欄位資訊。例如 Unix domain socket，用於本機進程之間的通信，直接讀寫文件，不需要經過網路協定棧。

可能的定義：

inet_connection_sock 是指面向連接的 sock，在 inet_sock 的基礎上加入面向連接的協議里相關字段，例如 accept 隊列、數據包分片大小、握手失敗重試次數等。雖然現在提到連線導向的協定就是指 TCP，但設計上 Linux 需要支援擴展其他面向連線的新協定。

例如：

tcp_sock 是正兒八經的 TCP 協定專用的 sock 結構，在 inet_connection_sock 基礎上也加入了 TCP 特有的滑動視窗、壅塞避免等功能。同樣 UDP 協定也會有一個專用的資料結構，叫 udp_sock。

大概如下：

有了這套資料結構，將它跟著硬體網路卡對接一下，就實現了網路傳輸的功能。

四、提供 Socket 層
由於這裡面的程式碼複雜，也操作了網卡硬件，需要較高的作業系統權限，再考慮到效能和安全，於是將它放在作業系統核心裡。


為了讓用戶空間的應用程式使用這部分功能，將這部分功能抽象成簡單的接口，將核心的 sock 封裝成檔案。創建 sock 的同時也創建一個文件，文件有個文件描述符 fd，透過它可以唯一確定是哪個 sock。將fd暴露給用戶，用戶就可以像操作文件句柄一樣去操作這個 sock 。

建立socket時，其實就是建立了一個檔案結構體，並將private_data欄位指向sock。


有了 sock_fd 句柄後，提供了一些接口，如 send()、recv()、bind()、listen()、connect() 等，這些就是 socket 提供出來的接口。

所以說，socket 其實就是個程式碼庫或介面層，它介於核心和應用程式之間，提供了一堆接口，讓我們去使用核心功能，本質上就是一堆高度封裝過的介面。

我們平常寫的應用程式裡程式碼裡雖然用了socket實現了收發資料包的功能，但其實真正執行網路通訊功能的，不是應用程序，而是linux核心。


在作業系統核心空間裡，實現網路傳輸功能的結構是sock，基於不同的協定和應用場景，會被泛化為各種類型的xx_sock，它們結合硬件，共同實現了網路傳輸功能。為了將這部分功能暴露給用戶空間的應用程式使用，於是引入了socket層，同時將sock嵌入到文件系統的框架裡，sock就變成了一個特殊的文件，用戶就可以在用戶空間使用文件句柄，也就是socket_fd來操作內核sock的網絡傳輸能力。

五、Socket 如何實現網路通訊
以最常用的 TCP 協定為例，實現網路傳輸功能分為建立連線和資料傳輸兩個階段。

1. 建立連接

在客戶端，執行 socket 提供的 connect(sockfd, "ip:port") 方法時，會透過 sockfd 句柄找到對應的文件，再根據文件裡的資訊指向內核的 sock 結構，透過這個 sock 結構主動發起三次握手。

在服務端，握手次數還沒達到「三次」的連接叫半連接，完成好三次握手的連接叫全連接，它們分別會用半連接隊列和全連接隊列來存放，這兩個隊列會在執行 listen() 方法的時候創建好。當服務端執行 accept() 方法時，就會從全連線佇列拿出一個全連線。

雖然都叫隊列，但半連接隊列其實是個哈希表，而全連接隊列其實是個鍊錶。

在 Linux 核心 2.6 版本的原始碼中，相關的程式碼實作可能位於網路子系統的部分。例如，建立連線的過程可能涉及 tcp_connect() 等函數。

2. 資料傳輸
為了實現發送和接收資料的功能，sock 結構體裡帶了一個發送緩衝區和一個接收緩衝區，其實就是一個鍊錶，上面掛著一個個準備要發送或接收的資料。

當應用執行 send() 方法發送資料時，會透過 sock_fd 句柄找到對應的文件，根據文件指向的 sock 結構，找到這個 sock 結構裡帶的發送緩衝區，將資料放到發送緩衝區，然後結束流程，內核看心情決定什麼時候將這份資料發送出去。

接收資料流程也類似，當資料送到 Linux 核心後，先放在接收緩衝區中，等待應用程式執行 recv() 方法來拿。

當應用程式執行 recv() 方法嘗試取得（阻塞場景下）接收緩衝區的資料時，如果有數據，取走就好；如果沒數據，就會將自己的進程資訊註冊到這個 sock 用的等待佇列裡，然後進程休眠。如果這時候有資料從遠端發過來了，資料進入到接收緩衝區時，核心就會取出 sock 的等待佇列裡的進程，喚醒進程來取資料。

當多個行程通過 fork 的方式 listen 了同一個 socket_fd，在核心它們都是同一個 sock，多個行程執行 listen() 之後，都會將自身的行程資訊註冊到這個 socket_fd 對應的核心 sock 的等待佇列中。在 Linux 2.6 以前，會喚醒等待佇列裡的所有進程，但最後其實只有一個進程會處理這個連線請求，其他進程又重新進入休眠，會消耗一定的資源，這就是驚群效應。在 Linux 2.6 之後，只會喚醒等待佇列裡的其中一個進程，這個問題被修復了。


服務端 listen 的時候，那麼多資料到一個 socket 怎麼區分多個客戶端的？以 TCP 為例，服務端執行 listen 方法後，會等待客戶端傳送資料來。客戶端發送的資料包上會有來源 IP 位址和端口，以及目的 IP 位址和端口，這四個元素構成一個四元組，可以用於唯一標記一個客戶端。服務端會建立一個新的核心 sock，並用四元組產生一個 hash key，將它放入到一個 hash 表中。下次再有消息進來的時候，透過訊息自帶的四元組產生 hash key 再到這個 hash 表 裡重新取出對應的 sock 就好了。


六、Socket 怎麼實現“繼承”
Linux 核心是 C 語言實現的，而 C 語言沒有類別也沒有繼承的特性，是透過結構體裡的記憶體是連續的這一特點來實現「繼承」的效果。將要繼承的“父類”，放到結構體的第一位，然後通過結構體名的長度來強行截取內存，這樣就能轉換結構體，從而實現類似“繼承”的效果。

七、總結
socket 中文套接字，可理解為一套用於連接的數字。

sock 在內核，socket_fd 在使用者空間，socket 層介於內核與使用者空間之間。

在作業系統核心空間裡，實現網路傳輸功能的結構是 sock，基於不同的協定和應用場景，會被泛化為各種類型的 xx_sock，它們結合硬件，共同實現了網路傳輸功能。為了將這部分功能暴露給用戶空間的應用程式使用，於是引入了 socket 層，同時將 sock 嵌入到文件系統的框架裡，sock 就變成了一個特殊的文件，用戶就可以在用戶空間使用文件句柄，也就是 socket_fd 來操作內核 sock 的網絡傳輸能力。


服務端可以透過四元組來區分多個客戶端。

內核透過 C 語言「結構體裡的記憶體是連續的」這一特徵實現了類似繼承的效果。