深入理解?Linux?socket

socket fd 長(zhǎng)什么樣子？

什么是 socket fd ？粗糙的來(lái)講，就是網(wǎng)絡(luò) fd，比如我們最常見(jiàn)的 C/S 客戶(hù)端服務(wù)端的編程模式，就是網(wǎng)絡(luò)通信的一種方式。撇開(kāi)底層和協(xié)議細(xì)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)通信和文件讀寫(xiě)從接口上有本質(zhì)區(qū)別嗎？

其實(shí)沒(méi)啥區(qū)別，不就是讀過(guò)來(lái)和寫(xiě)過(guò)去嘛，簡(jiǎn)稱(chēng) IO 。

我們先看一下 socket fd 是什么樣子的？隨便找了個(gè)進(jìn)程

root@ubuntu:~#?ll?/proc/1583/fd
total?0
lrwx------?1?root?root?64?Jul?19?12:37?7?->?socket:[18892]
lrwx------?1?root?root?64?Jul?19?12:37?8?->?socket:[18893]
這里我們看到 fd 7、8 都是一個(gè) socket fd，名字：socket:[18892]

整數(shù)句柄后面一般會(huì)跟一些信息，用于幫助我們了解這個(gè) fd 是什么。舉個(gè)例子，如果是文件 fd，那么箭頭后面一般是路徑名稱(chēng)?，F(xiàn)在拆解一下這個(gè)名字：

• socket ：標(biāo)識(shí)這是一個(gè) socket 類(lèi)型的 fd
• [18892] ?：這個(gè)是一個(gè) inode 號(hào)，能夠唯一標(biāo)識(shí)本機(jī)的一條網(wǎng)絡(luò)連接；

思考下，這個(gè) inode 號(hào)，還能再哪里能看到呢？

在 proc 的 net 目錄下，因?yàn)槲疫@個(gè)是一個(gè)走 tcp 的服務(wù)端，所以我們看一下 ?/proc/net/tcp 文件。這個(gè)文件里面能看到所有的 tcp 連接的信息。

root@ubuntu:~#?grep?-i?"18892"?/proc/net/tcp
??18:?00000000:1F93?00000000:0000?0A?00000000:00000000?00:00000000?00000000?????0????????0?18892?1?ffff880197fba580?100?0?0?10?0?????????????????????
root@ubuntu:~#?grep?-i?"18893"?/proc/net/tcp
??28:?00000000:1F7C?00000000:0000?0A?00000000:00000000?00:00000000?00000000?????0????????0?18893?1?ffff880197fbad00?100?0?0?10?0????
知識(shí)點(diǎn)又來(lái)了，/proc/net/tcp 這個(gè)文件記錄了 tcp 連接的信息，這份信息是非常有用的。包含了 TCP 連接的地址（16進(jìn)制顯示），inode 的信息，連接的狀態(tài)等等。

socket fd 是什么？

環(huán)境聲明：

Linux 內(nèi)核版本 4.19?

為了方便，如果沒(méi)特意說(shuō)明協(xié)議，默認(rèn) TCP 協(xié)議；

socket 可能你還沒(méi)反應(yīng)過(guò)來(lái)，中文名：套接字 是不是更熟悉點(diǎn)。Linux 網(wǎng)絡(luò)編程甚至可以叫做套接字編程。

有些概念你必須捋一捋 。我們思考幾個(gè)小問(wèn)題：

socket 跟 tcp/ip 有什么區(qū)別？

就不該把這兩個(gè)東西放在一起比較討論，就不是一個(gè)東西。tcp/ip 是網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，socket 是操作系統(tǒng)為了方便網(wǎng)絡(luò)編程而設(shè)計(jì)出來(lái)的編程接口而已。

理論基礎(chǔ)是各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，協(xié)議棧呀，啥的。但是如果你要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程，落到實(shí)處，對(duì)程序猿來(lái)講就是 socket 編程。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的操作，由 socket 體現(xiàn)為 open -> read/write ->close 這樣的編程模式，這個(gè)統(tǒng)一到文件的一種形式。

socket 的 open 就是 socket(int domain, int type, int protocol) ，和文件一樣，都是獲取一個(gè)句柄。

網(wǎng)絡(luò)抽象層次

網(wǎng)絡(luò)模型一般會(huì)對(duì)應(yīng)到兩種：

• 完美理論的 OSI 七層模型；
• 現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的 5 層模型；

對(duì)應(yīng)關(guān)系如下圖（取自 Unix 套接字編程）

不同層次做不同的事情，不斷的封裝，不斷的站在巨人的肩膀上，你將能做的更多。

今天，奇伢剖析的只聚焦在套接字這一層，這是程序猿摸得到的一層，位于所有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之上的一層封裝，網(wǎng)絡(luò)編程又叫套接字編程，這并不是空穴來(lái)風(fēng)。

套接字，是內(nèi)核對(duì)賊復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧的 API 封裝，使得程序猿能夠用極簡(jiǎn)的姿勢(shì)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編程。比如寫(xiě)一個(gè)基于 Tcp 的 C/S 的網(wǎng)絡(luò)程序，需要用到啥？我們大概暢想下：

1. 客戶(hù)端和服務(wù)端都用 socket 調(diào)用創(chuàng)建套接字；
2. 服務(wù)端用 bind 綁定監(jiān)聽(tīng)地址，用 listen 把套接字轉(zhuǎn)化為監(jiān)聽(tīng)套接字，用 accept 撈取一個(gè)客戶(hù)端來(lái)的連接；
3. 客戶(hù)端用 connect 進(jìn)行建連，用 write/read 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò) IO；

程序猿用著好簡(jiǎn)單！因?yàn)閮?nèi)核把事扛了。

socket fd 的類(lèi)型

上面我們提到了套接字，這是我們網(wǎng)絡(luò)編程的主體，套接字由 socket() 系統(tǒng)調(diào)用創(chuàng)建，但你可知套接字其實(shí)可分為兩種類(lèi)型，監(jiān)聽(tīng)套接字和普通套接字。而監(jiān)聽(tīng)套接字是由 listen() 把 socket fd 轉(zhuǎn)化而成。

?1???監(jiān)聽(tīng)套接字

對(duì)于監(jiān)聽(tīng)套接字，不走數(shù)據(jù)流，只管理連接的建立。accept 將從全連接隊(duì)列獲取一個(gè)創(chuàng)建好的 socket（ 3 次握手完成），對(duì)于監(jiān)聽(tīng)套接字的可讀事件就是全連接隊(duì)列非空。對(duì)于監(jiān)聽(tīng)套接字，我們只在乎可讀事件。

?2???普通套接字

普通套接字就是走數(shù)據(jù)流的，也就是網(wǎng)絡(luò) IO，針對(duì)普通套接字我們關(guān)注可讀可寫(xiě)事件。在說(shuō) socket 的可讀可寫(xiě)事件之前，我們先捋順套接字的讀寫(xiě)大概是什么樣子吧。

套接字層是內(nèi)核提供給程序員用來(lái)網(wǎng)絡(luò)編程的，程序猿讀寫(xiě)都是針對(duì)套接字而言，那么 write( socketfd, /* 參數(shù) */) 和 read( socketfd, /* 參數(shù) */) 都會(huì)發(fā)生什么呢？

• write 數(shù)據(jù)到 socketfd，大部分情況下，數(shù)據(jù)寫(xiě)到 socket 的內(nèi)存 buffer，就結(jié)束了，并沒(méi)有發(fā)送到對(duì)端網(wǎng)絡(luò)（異步發(fā)送）；
• read socketfd 的數(shù)據(jù)，也只是從 socket 的 內(nèi)存 buffer 里讀數(shù)據(jù)而已，而不是從網(wǎng)卡讀（雖然數(shù)據(jù)是從網(wǎng)卡一層層遞上來(lái)的）；

也就是說(shuō)，程序猿而言，是跟 socket 打交道，內(nèi)核屏蔽了底層的細(xì)節(jié)。

那說(shuō)回來(lái) socket 的可讀可寫(xiě)事件就很容易理解了。

• socketfd 可讀：其實(shí)就是 socket buffer 內(nèi)有數(shù)據(jù)（超過(guò)閾值 SO_RCLOWAT ）；
• socketfd 可寫(xiě)：就是 socket buffer 還有空間讓你寫(xiě)（閾值 SO_SNDLOWAT ）；

sockfs 文件系統(tǒng)

socket fd 為什么能具備“文件”的語(yǔ)義，從而和 eventfd，ext2 fd 這樣的句柄一樣，統(tǒng)一提供對(duì)外 io 的樣子？

核心就是：sockfs ，這也是個(gè)文件系統(tǒng)，只不過(guò)普通用戶(hù)看不見(jiàn)，這是只由內(nèi)核管理的文件系統(tǒng)，位于 vfs 之下，為了封裝 socket 對(duì)上的文件語(yǔ)義。

//?net/socket.c
static?int?__init?sock_init(void)
{
????//?注冊(cè)?sockfs?文件系統(tǒng)
????err?=?register_filesystem(