Linux Socket 详解

struct sock {    struct sock_common __sk_common;  // 通用 sock 信息    unsigned int sk_state_change:2;  // 状态变化回调    unsigned int sk_write_seq;       // 写序列号    // ... 大量协议相关的字段};

SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol){    int retval;    struct socket *sock;    // 分配 socket 结构    retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);    if (retval < 0)        goto out;    // 安装到文件描述符表    retval = sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));    if (retval < 0)        goto out_release;    return retval;}

SYSCALL_DEFINE3(bind, int, fd, struct sockaddr __user *, umyaddr, int, addrlen){    struct socket *sock;    struct sockaddr_storage address;    int err, fput_needed;    // 获取 socket 对象    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);    if (sock) {        // 复制用户空间地址        err = move_addr_to_kernel(umyaddr, addrlen, &address);        if (!err)            // 调用协议特定的 bind 实现            err = sock->ops->bind(sock, (struct sockaddr *)&address, addrlen);        fput_light(sock->file, fput_needed);    }    return err;}

struct proto_ops {    int (*release)(struct socket *sock);        // 释放 socket    int (*bind)(struct socket *sock, struct sockaddr *myaddr, int sockaddr_len);  // 绑定地址    int (*connect)(struct socket *sock, struct sockaddr *vaddr, int sockaddr_len, int flags);  // 连接    int (*socketpair)(struct socket *sock1, struct socket *sock2);  // 创建 socket 对    int (*accept)(struct socket *sock, struct socket *newsock, int flags, bool kern);  // 接受连接    int (*getname)(struct socket *sock, struct sockaddr *addr, int peer);  // 获取地址信息    unsignedint(*poll)(struct file *file, struct socket *sock, poll_table *wait);  // 轮询    int (*ioctl)(struct socket *sock, unsigned int cmd, unsigned long arg);  // 控制操作    int (*listen)(struct socket *sock, int len);  // 监听    int (*shutdown)(struct socket *sock, int flags);  // 关闭    int (*setsockopt)(struct socket *sock, int level, int optname, char __user *optval, unsigned int optlen);  // 设置选项    int (*getsockopt)(struct socket *sock, int level, int optname, char __user *optval, int __user *optlen);  // 获取选项    int (*sendmsg)(struct socket *sock, struct msghdr *m, size_t total_len);  // 发送消息    int (*recvmsg)(struct socket *sock, struct msghdr *m, size_t total_len, int flags);  // 接收消息    // ... 更多操作函数指针};

struct proto tcp_prot = {    .name = "TCP",    .owner = THIS_MODULE,    .close = tcp_close,    .connect = tcp_v4_connect,    .disconnect = tcp_disconnect,    .accept = inet_csk_accept,    .ioctl = tcp_ioctl,    .init = tcp_v4_init_sock,    .destroy = tcp_v4_destroy_sock,    .shutdown = tcp_shutdown,    .setsockopt = tcp_setsockopt,    .getsockopt = tcp_getsockopt,    .sendmsg = tcp_sendmsg,    .recvmsg = tcp_recvmsg,    // ... 更多 TCP 特定函数};

// 客户端连接inttcp_v4_connect(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len){    // 设置目标地址    // 发送 SYN 包    // 等待服务器响应    // 完成三次握手}// 服务器接受连接struct sock *inet_csk_accept(struct sock *sk, int flags, int *err, bool kern){    struct inet_connection_request *req;    struct sock *newsk;    // 从已完成连接队列中取出连接    req = reqsk_queue_remove(&icsk->icsk_accept_queue);    if (!req)        return ERR_PTR(-EAGAIN);    // 创建新的 socket 结构    newsk = tcp_create_openreq_child(sk, req, skb);    // ... 初始化新连接    return newsk;}

inttcp_sendmsg(struct kiocb *iocb, struct socket *sock, struct msghdr *msg, size_t size){    struct sock *sk = sock->sk;    struct sk_buff *skb;    int err, copied = 0;    lock_sock(sk);    while (copied < size) {        // 分配 sk_buff 缓冲区        skb = alloc_skb(size, GFP_KERNEL);        if (!skb) {            err = -ENOMEM;            break;        }        // 将数据拷贝到缓冲区        skb_put(skb, copy);        // 添加到发送队列        tcp_queue_skb(sk, skb);        copied += copy;    }    // 触发数据发送    tcp_push(sk, MSG_NOSIGNAL, size, tp->mss_cache, flags);    release_sock(sk);    return copied;}

inttcp_recvmsg(struct kiocb *iocb, struct sock *sk, struct msghdr *msg,                size_t len, int nonblock, int flags, int *addr_len){    struct sk_buff *skb;    int copied, err;    lock_sock(sk);    while (copied < len) {        // 从接收队列中获取数据        skb = skb_peek(&sk->sk_receive_queue);        if (!skb) {            // 如果没有数据且是非阻塞模式，返回错误            if (nonblock) {                err = -EAGAIN;                break;            }            // 否则等待数据到达            tcp_wait_data(sk, &timeo);            continue;        }        // 从 sk_buff 中拷贝数据到用户空间        copied += skb_copy_datagram_iovec(skb, offset, msg->msg_iov, chunk);    }    release_sock(sk);    return copied;}

// 网络设备驱动接收数据包intnetif_rx(struct sk_buff *skb){    // 将数据包放入接收队列    // 触发软中断处理    return netif_rx_internal(skb);}// 网络层处理intip_rcv(struct sk_buff *skb, struct net_device *dev, struct packet_type *pt, struct net_device *orig_dev){    struct iphdr *iph;    // IP 头部处理    iph = ip_hdr(skb);    // 根据协议类型分发到上层    switch (iph->protocol) {    case IPPROTO_TCP:        tcp_v4_rcv(skb);        break;    case IPPROTO_UDP:        udp_rcv(skb);        break;    }    return NET_RX_SUCCESS;}// TCP 层处理inttcp_v4_rcv(struct sk_buff *skb){    struct tcphdr *th;    struct sock *sk;    // 查找对应的 socket    sk = __tcp_v4_lookup(skb);    if (!sk) {        // 如果找不到对应 socket，发送 RST        tcp_v4_send_reset(skb);        goto discard_it;    }    // 将数据包传递给 socket 处理    return tcp_rcv_established(sk, skb);}

struct sk_buff {    union {        struct {            struct sk_buff *next;    // 链表指针            struct sk_buff *prev;        };    };    struct net_device *dev;          // 接收/发送设备    unsigned int len;                // 数据包长度    unsigned int data_len;           // 分片数据长度    __u16 mac_len;                   // MAC 头部长度    skb_frag_t *frags;               // 分片数组    struct sk_buff *frag_list;       // 分片链表    struct sock *sk;                 // 关联的 socket    char cb[48] __aligned(8);        // 控制块    unsigned long _skb_refdst;       // 目标缓存    // ... 更多字段};

// Socket 锁操作static inline void lock_sock(struct sock *sk){    bh_lock_sock(sk);}static inline void release_sock(struct sock *sk){    bh_unlock_sock(sk);}// 网络命名空间锁void net_lock(void){    rcu_read_lock();}void net_unlock(void){    rcu_read_unlock();}

// 使用 sendfile 实现零拷贝ssize_tdo_sendfile(int out_fd, int in_fd, loff_t *ppos, size_t count, loff_t max){    // 直接在内核空间传输数据，避免用户空间拷贝    return splice_direct_to_actor(...);}// 使用 mmap 和 write 实现共享内存传输void *mapped = mmap(NULL, size, PROT_READ, MAP_SHARED, fd, 0);write(sock_fd, mapped, size);

// SLAB 分配器优化 sk_buff 分配struct kmem_cache *skbuff_head_cache __read_mostly;struct kmem_cache *skbuff_fclone_cache __read_mostly;static struct sk_buff *alloc_skb(unsigned int size, gfp_t priority){    // 使用专用的 slab 缓存分配 sk_buff    return __alloc_skb(size, priority, 0, NUMA_NO_NODE);}