linux内核中socket的创建过程源码分析（总结性质）

     在漫长地分析完socket的创建源码后，发现一片浆糊，所以特此总结，我的博客中同时有另外一篇详细的源码分析，内核版本为3.9，建议在阅读本文后若还有兴趣再去看另外一篇博文。绝对不要单独看另外一篇。

　　

一：调用链：

 

二：数据结构

一一看一下每个数据结构的意义：

1) socket, sock, inet_sock, tcp_sock的关系
创建完sk变量后，回到inet_create函数中：

这里是根据sk变量得到inet_sock变量的地址；这里注意区分各个不同结构体。
a. struct socket：这个是基本的BSD socket，面向用户空间，应用程序通过系统调用开始创建的socket都是该结构体，它是基于虚拟文件系统创建出来的；
类型主要有三种，即流式、数据报、原始套接字协议；

b. struct sock：它是网络层的socket；对应有TCP、UDP、RAW三种，面向内核驱动；

其状态相比socket结构更精细：

c. struct inet_sock：它是INET域的socket表示，是对struct sock的一个扩展，提供INET域的一些属性，如TTL，组播列表，IP地址，端口等；
d. struct raw_socket：它是RAW协议的一个socket表示，是对struct inet_sock的扩展，它要处理与ICMP相关的内容；
e. sturct udp_sock：它是UDP协议的socket表示，是对struct inet_sock的扩展；
f. struct inet_connection_sock：它是所有面向连接的socket表示，是对struct inet_sock的扩展；

g. struct tcp_sock：它是TCP协议的socket表示，是对struct inet_connection_sock的扩展，主要增加滑动窗口，拥塞控制一些TCP专用属性；
h. struct inet_timewait_sock：它是网络层用于超时控制的socket表示；
i. struct tcp_timewait_sock：它是TCP协议用于超时控制的socket表示；

 

三：具体过程

1、函数入口：
1) 示例代码如下：

 

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

2) 入口：
net/Socket.c:sys_socketcall()，根据子系统调用号，创建socket会执行sys_socket()函数；

2、分配socket结构：
1) 调用链：
net/Socket.c:sys_socket()->sock_create()->__sock_create()->sock_alloc()；

2) 在socket文件系统中创建i节点：

inode = new_inode(sock_mnt->mnt_sb);  
这里，new_inode函数是文件系统的通用函数，其作用是在相应的文件系统中创建一个inode；其主要代码如下(fs/Inode.c)：

上面有个条件判断：if (sb->s_op->alloc_inode)，意思是说如果当前文件系统的超级块有自己分配inode的操作函数，则调用它自己的函数分配inode，否则从公用的高速缓存区中分配一块inode；

3) 创建socket专用inode：
在“socket文件系统注册”一文中后面提到，在安装socket文件系统时，会初始化该文件系统的超级块，此时会初始化超级块的操作指针s_op为sockfs_ops结构；因此此时分配inode会调用sock_alloc_inode函数来完成：实际上分配了一个socket_alloc结构体，该结构体包含socket和inode，但最终返回的是该结构体中的inode成员；至此，socket结构和inode结构均分配完毕；分配inode后，应用程序便可以通过文件描述符对socket进行read()/write()之类的操作，这个是由虚拟文件系统(VFS)来完成的。

3、根据inode取得socket对象：
由于创建inode是文件系统的通用逻辑，因此其返回值是inode对象的指针；但这里在创建socket的inode后，需要根据inode得到socket对象；内联函数SOCKET_I由此而来，这里使用两个重要宏containerof和offsetof

4、使用协议族来初始化socket：

1) 注册AF_INET协议域：

在“socket文件系统注册”中提到系统初始化的工作，AF_INET的注册也正是通过这个来完成的；

初始化入口net/ipv4/Af_inet.c：这里调用sock_register函数来完成注册：

根据family将AF_INET协议域inet_family_ops注册到内核中的net_families数组中；下面是其定义：

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

其中，family指定协议域的类型，create指向相应协议域的socket的创建函数；

2) 套接字类型

在相同的协议域下，可能会存在多个套接字类型；如AF_INET域下存在流套接字(SOCK_STREAM)，数据报套接字(SOCK_DGRAM)，原始套接字（SOCK_RAW），在这三种类型的套接字上建立的协议分别是TCP, UDP，ICMP/IGMP等。

在Linux内核中，结构体struct proto表示域中的一个套接字类型，它提供该类型套接字上的所有操作及相关数据(在内核初始化时会分配相应的高速缓冲区，见上面提到的inet_init函数)。

AF_IENT域的这三种套接字类型定义用结构体inet_protosw(net/ipv4/Af_inet.c)来表示，如下：其中，tcp_prot(net/ipv4/Tcp_ipv4.c)、 udp_prot(net/ipv4/Udp.c)、raw_prot(net/ipv4/Raw.c)分别表示三种类型的套接字，分别表示相应套接字的 操作和相关数据；ops成员提供该协议域的全部操作集合，针对三种不同的套接字类型，有三种不同的域操作inet_stream_ops、 inet_dgram_ops、inet_sockraw_ops，其定义均位于net/ipv4/Af_inet.c下；

内 核初始化时，在inet_init中，会将不同的套接字存放到全局变量inetsw中统一管理；inetsw是一个链表数组，每一项都是一个struct inet_protosw结构体的链表，总共有SOCK_MAX项，在inet_init函数对AF_INET域进行初始化的时候，调用函数 inet_register_protosw把数组inetsw_array中定义的套接字类型全部注册到inetsw数组中；其中相同套接字类型，不同 协议类型的套接字通过链表存放在到inetsw数组中，以套接字类型为索引，在系统实际使用的时候，只使用inetsw，而不使用 inetsw_array；

 

3) 使用协议域来初始化socket

 

了解了上面的知识后，我们再回到net/Socket.c:sys_socket()->sock_create()->__sock_create()中：

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

上面的代码中，找到内核初始化时注册的协议域，然后调用其create方法；

5、分配sock结构：

  sk是网络层对于socket的表示，结构体struct sock比较庞大，这里不详细列出，只介绍一些重要的成员，sk_prot和sk_prot_creator，这两个成员指向特定的协议处理函数集，其类型是结构体struct proto，struct proto类型的变量在协议栈中总共也有三个.其调用链如下：

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

inet_create()主要完成以下几个工作：

1) 设置socket的状态为SS_UNCONNECTED；

 

sock->state = SS_UNCONNECTED;  

 

 

2) 根据socket的type找到对应的套接字类型：

由于同一type不同protocol的套接字保存在inetsw中的同一链表中，因此需要遍历链表来查找；在上面的例子中，会将protocol重新赋值为answer->protocol，即IPPROTO_TCP，其值为6；

3) 使用匹配的协议族操作集初始化sk；

结合源码，sock变量的ops指向inet_stream_ops结构体变量；

4) 分配sock结构体变量 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结构体变量；

其中，sk_prot_alloc分配sock结构体变量；由于在inet_init中为不同的套接字分配了高速缓冲区，因此该sock结构体变量会在该缓冲区中分配空间；分配完成后，对其做一些初始化工作：

i) 初始化sk变量的sk_prot和sk_prot_creator；
ii) 初始化sk变量的等待队列；
iii) 设置net空间结构，并增加引用计数；

6、建立socket结构与sock结构的关系：

inet = inet_sk(sk);  

这里为什么能直接将sock结构体变量强制转化为inet_sock结构体变量呢？只有一种可能，那就是在分配sock结构体变量时，真正分配的是inet_sock或是其他结构体；

我们回到分配sock结构体的那块代码(参考前面的5.4小节：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;  }  

上面的代码在分配sock结构体时，有两种途径，一是从tcp专用高速缓存中分配；二是从内存直接分配；前者在初始化高速缓存时，指定了结构体大小为prot->obj_size；后者也有指定大小为prot->obj_size，

根据这点，我们看下tcp_prot变量中的obj_size(net/ipv4/Tcp_ipv4.c)：

 

.obj_size       = sizeof(struct tcp_sock),  

也就是说，分配的真实结构体是tcp_sock；由于tcp_sock、inet_connection_sock、inet_sock、sock之间均为0处偏移量，因此可以直接将tcp_sock直接强制转化为inet_sock。

2) 建立socket, sock的关系
创建完sock变量之后，便是初始化sock结构体，并建立sock与socket之间的引用关系；调用链如下：
net/Socket.c:sys_socket()->sock_create()->__sock_create()->net /ipv4/Af_inet.c:inet_create()->net/core/Sock.c:sock_init_data()：
该函数主要工作是：
a. 初始化sock结构的缓冲区、队列等；
b. 初始化sock结构的状态为TCP_CLOSE；
c. 建立socket与sock结构的相互引用关系；

7、使用tcp协议初始化sock：
inet_create()函数最后，通过相应的协议来初始化sock结构：这里调用的是tcp_prot的init钩子函数net/ipv4/Tcp_ipv4.c:tcp_v4_init_sock()，它主要是对tcp_sock和inet_connection_sock进行一些初始化；

8、socket与文件系统关联：

创建好与socket相关的结构后，需要与文件系统关联，详见sock_map_fd()函数：

1) 申请文件描述符，并分配file结构和目录项结构；
2) 关联socket相关的文件操作函数表和目录项操作函数表；
3) 将file->private_date指向socket；

socket与文件系统关联后，以后便可以通过文件系统read/write对socket进行操作了；