系统调用 socket

注：本文分析基于3.10.107内核版本

当我们在进行网络编程时，socket 系统调用是必不可少的一个步骤。socket 系统调用返回的是一个fd，即一个文件描述符。其实它就只是一个 int 类型的数值，我们为什么能像操作文件一样进行读写呢？这就是 VFS 的功劳了，同时协议栈为了适配 VFS 虚拟文件系统实现了 sockfs，最终使得我们可以像操作文件一样操作文件描述符。

而实现 socket 和文件系统绑定的操作，就是在 socket 系统调用中实现的，里面最重要的一步就是调用 sock_alloc() 函数。sock_alloc() 里体现了 linux 一切皆文件(Everything is a file)理念，即使用文件系统来管理 socket，这也是VFS所要达到的效果。

static struct socket *sock_alloc(void)
{
    struct inode *inode;
    struct socket *sock;

    inode = new_inode_pseudo(sock_mnt->mnt_sb);//创建一个inode，用于将sock和文件系统相关联
    if (!inode)
        return NULL;

    sock = SOCKET_I(inode);//根据inode获取socket_alloc结构体中socket成员
...
    return sock;
}

我们追踪一下 sock_alloc() 函数的调用路径：

sock_alloc(sock_mnt->mnt_sb) –> new_inode_pseudo() –> alloc_inode() –> sb->s_op->alloc_inode()

那这个 s_op->alloc_inode() 到底是哪来的呢？

根据 new_inode_pseudo() 函数的入参 sock_mnt->mnt_sb，我们可以找到该变量的定义：

static struct dentry *sockfs_mount(struct file_system_type *fs_type,
             int flags, const char *dev_name, void *data)
{
    return mount_pseudo(fs_type, "socket:", &sockfs_ops,
        &sockfs_dentry_operations, SOCKFS_MAGIC);
}

static struct vfsmount *sock_mnt __read_mostly;

static struct file_system_type sock_fs_type = {
    .name =     "sockfs",
    .mount =    sockfs_mount,
    .kill_sb =  kill_anon_super,
};

我顺带把等会要使用到的结构体和函数一并写上。sock_mnt 变量的初始化是在 sock_init() 函数。

static int __init sock_init(void)
{
...
    err = register_filesystem(&sock_fs_type);
    if (err)
        goto out_fs;
    sock_mnt = kern_mount(&sock_fs_type);
...
}

到这可以知道 sock_fs_type->mount 指向 sockfs_mount()，请记住这点。下面我们跟踪 kern_mount() 函数的调用路径

kern_mount(&sock_fs_type) –> kern_mount_data() –> vfs_kern_mount() –> mount_fs() –> type->mount()

这里 type->mount() 便是调用 sockfs_mount() 函数。sockfs_mount() 函数调用 mount_pseudo()。

/*
 * Common helper for pseudo-filesystems (sockfs, pipefs, bdev - stuff that
 * will never be mountable)
 */
struct dentry *mount_pseudo(struct file_system_type *fs_type, char *name,
    const struct super_operations *ops,
    const struct dentry_operations *dops, unsigned long magic)
{
...
    s = sget(fs_type, NULL, set_anon_super, MS_NOUSER, NULL);
...
    s->s_op = ops ? ops : &simple_super_operations;
...
}

从这个函数可以看出 s_op 就是 ops，也就是 sockfs_ops，

static const struct super_operations sockfs_ops = {
    .alloc_inode    = sock_alloc_inode,
    .destroy_inode  = sock_destroy_inode,
    .statfs     = simple_statfs,
};

因此刚才 sock_alloc() 最终调用的就是 sock_alloc_inode。

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);//为这个socket创建一个等待队列
    if (!wq) {
        kmem_cache_free(sock_inode_cachep, ei);
        return NULL;
    }
    init_waitqueue_head(&wq->wait);
    wq->fasync_list = NULL;
    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;//返回inode节点，用于初始化等操作
}

这里我们看到 struct socket_alloc，这个结构体，

struct socket_alloc {
    struct socket socket;
    struct inode vfs_inode;
};

从这个结构体我们就能看到文件系统相关的结构体了。到这我们就明白内核是怎么把socket 和文件系统相关联的了，这也就是 sockfs 实现的关键。

回过头我们来理一下 sock_alloc() 所做的事。它分配一个 socket_alloc 结构体，将 sockfs 相关属性填充在 socket_alloc 结构体的 vfs_inode 变量中，以限定后续对这个 sock 文件允许的操作。这也为后面通过文件描述符操作 socket 奠定基础。同时 sock_alloc() 最终返回的是 socket_alloc 结构体的 socket 变量，因此用户层面并不感知内核如何将 socket 和文件系统绑定。

Reference

• https://blog.csdn.net/u010039418/article/details/79347844