socket是什么以及socket的原理和內(nèi)核實(shí)現(xiàn)

我相信大家剛開始學(xué)socket的時(shí)候，都跟我一樣。

云里霧里的，對(duì)socket的概念很模糊。

這篇文章我打算從一個(gè)初學(xué)者的角度開始聊起，讓大家了解下我眼里的socket是什么以及socket的原理和內(nèi)核實(shí)現(xiàn)。

socket的概念

故事要從一個(gè)插頭說(shuō)起。

插頭與插座

當(dāng)我將插頭插入插座，那看起來(lái)就像是將兩者連起來(lái)了。

風(fēng)扇與電力系統(tǒng)建立"連接"

而插座的英文，又叫socket。

巧了，我們程序員搞網(wǎng)絡(luò)編程時(shí)也會(huì)用到一個(gè)叫socket的東西。

其實(shí)兩者非常相似。通過(guò)socket，我們可以與某臺(tái)機(jī)子建立"連接"，建立"連接"的過(guò)程，就像是將插口插入插槽一樣。

大概概念是了解了，但我相信各位對(duì)socket其實(shí)還是很模糊。

我們從大家最熟悉的使用場(chǎng)景開始說(shuō)起。

socket的使用場(chǎng)景

我們想要將數(shù)據(jù)從A電腦的某個(gè)進(jìn)程發(fā)到B電腦的某個(gè)進(jìn)程。

這時(shí)候我們需要選擇將數(shù)據(jù)發(fā)過(guò)去的方式，如果需要確保數(shù)據(jù)要能發(fā)給對(duì)方，那就選可靠的TCP協(xié)議，如果數(shù)據(jù)丟了也沒(méi)關(guān)系，看天意，那就選擇不可靠的UDP協(xié)議。

初學(xué)者毫無(wú)疑問(wèn)，首選TCP。

TCP是什么

那這時(shí)候就需要用socket進(jìn)行編程。

于是第一步就是創(chuàng)建個(gè)關(guān)于TCP的socket。就像下面這樣。

sock_fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP);

這個(gè)方法會(huì)返回socket_fd，它是socket文件的句柄，是個(gè)數(shù)字，相當(dāng)于socket的身份證號(hào)。

得到了socket_fd之后，對(duì)于服務(wù)端，就可以依次執(zhí)行bind(),listen(),accept()方法，然后坐等客戶端的連接請(qǐng)求。

對(duì)于客戶端，得到socket_fd之后，你就可以執(zhí)行connect()方法向服務(wù)端發(fā)起建立連接的請(qǐng)求，此時(shí)就會(huì)發(fā)生TCP三次握手。

握手建立連接流程

連接建立完成后，客戶端可以執(zhí)行send()方法發(fā)送消息，服務(wù)端可以執(zhí)行recv()方法接收消息，反過(guò)來(lái)，服務(wù)器也可以執(zhí)行send()，客戶端執(zhí)行recv()方法。

到這里為止，就是我們大部分程序員最熟悉的使用場(chǎng)景。

socket的設(shè)計(jì)

現(xiàn)在，socket我們見過(guò)，也用過(guò)，但對(duì)大部分程序員來(lái)說(shuō)，它是個(gè)黑盒。

那既然是黑盒，我們索性假設(shè)我們忘了socket。重新設(shè)計(jì)一個(gè)內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。

網(wǎng)絡(luò)傳輸，從操作上來(lái)看，無(wú)非就是，發(fā)數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)端之間互相收發(fā)數(shù)據(jù)。也就是對(duì)應(yīng)著寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)。

讀寫收發(fā)

但顯然，事情沒(méi)那么簡(jiǎn)單。

這里還有兩個(gè)問(wèn)題。

第一個(gè)是，接收端和發(fā)送端可能不止一個(gè)，因此我們需要一些信息做下區(qū)分，這個(gè)大家肯定很熟悉，可以用IP和端口。IP用來(lái)定位是哪臺(tái)電腦，端口用來(lái)定位是這臺(tái)電腦上的哪個(gè)進(jìn)程。

第二個(gè)是，發(fā)送端和接收端的傳輸方式有很多區(qū)別，可以是可靠的TCP協(xié)議，也可以是不可靠的UDP協(xié)議，甚至還需要支持基于icmp協(xié)議的ping命令。

sock是什么

寫過(guò)代碼的都知道，為了支持這些功能，我們需要定義一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)去支持這些功能。

這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，叫sock。

為了解決上面的第一個(gè)問(wèn)題，我們可以在sock里加入IP和端口字段。

sock加入IP和端口字段

而第二個(gè)問(wèn)題，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這些協(xié)議雖然各不相同，但還是有一些功能相似的地方，比如收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)的一些邏輯完全可以復(fù)用。按面向?qū)ο缶幊痰乃枷?，我們可以將不同的協(xié)議當(dāng)成是不同的對(duì)象類（或結(jié)構(gòu)體），將公共的部分提取出來(lái)，通過(guò)"繼承"的方式，復(fù)用功能。

基于各種sock實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能

于是，我們將功能重新劃分下，定義了一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

繼承sock的各類sock

sock是最基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)，維護(hù)一些任何協(xié)議都有可能會(huì)用到的收發(fā)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。

inet_sock特指用了網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的sock，在sock的基礎(chǔ)上還加入了TTL，端口，IP地址這些跟網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)的字段信息。說(shuō)到這里大家就懵了，難道還有不是用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)?？有，比如Unix domain socket，用于本機(jī)進(jìn)程之間的通信，直接讀寫文件，不需要經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。這是個(gè)非常有用的東西，我以后一定講講（畫餅）。

inet_connection_sock是指面向連接的sock，在inet_sock的基礎(chǔ)上加入面向連接的協(xié)議里相關(guān)字段，比如accept隊(duì)列，數(shù)據(jù)包分片大小，握手失敗重試次數(shù)等。雖然我們現(xiàn)在提到面向連接的協(xié)議就是指TCP，但設(shè)計(jì)上linux需要支持?jǐn)U展其他面向連接的新協(xié)議，

tcp_sock就是正兒八經(jīng)的tcp協(xié)議專用的sock結(jié)構(gòu)了，在inet_connection_sock基礎(chǔ)上還加入了tcp特有的滑動(dòng)窗口、擁塞避免等功能。同樣udp協(xié)議也會(huì)有一個(gè)專用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，叫udp_sock。

好了，現(xiàn)在有了這套數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，我們將它們跟硬件網(wǎng)卡對(duì)接一下，就實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

提供socket層

可以想象得到，這里面的代碼肯定非常復(fù)雜，同時(shí)還操作了網(wǎng)卡硬件，需要比較高的操作系統(tǒng)權(quán)限，再考慮到性能和安全，于是決定將它放在操作系統(tǒng)內(nèi)核里。

既然網(wǎng)絡(luò)傳輸功能做在內(nèi)核里，那用戶空間的應(yīng)用程序想要用這部分功能的話，該怎么辦呢？

這個(gè)好辦，本著不重復(fù)造輪子的原則，我們將這部分功能抽象成一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)單的接口。以后別人只需要調(diào)用這些接口，就可以驅(qū)動(dòng)我們寫好的這一大堆復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)去發(fā)送數(shù)據(jù)。

那么問(wèn)題來(lái)了，怎么樣將這部分功能暴露出去呢？讓其他程序員更方便的使用呢？

既然跟遠(yuǎn)端服務(wù)端進(jìn)程收發(fā)數(shù)據(jù)可以抽象為“讀和寫”，操作文件也可以抽象為"讀和寫"，正好有句話叫，"linux里一切皆是文件"，那我們索性，將內(nèi)核的sock封裝成文件就好了。創(chuàng)建sock的同時(shí)也創(chuàng)建一個(gè)文件，文件有個(gè)句柄fd，說(shuō)白了就是個(gè)文件系統(tǒng)里的身份證號(hào)碼，通過(guò)它可以唯一確定是哪個(gè)sock。

這個(gè)文件句柄fd其實(shí)就是sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP)里的sock_fd。

將句柄暴露給用戶，之后用戶就可以像操作文件句柄那樣去操作這個(gè)sock句柄。在用戶空間里操作這個(gè)句柄，文件系統(tǒng)就會(huì)將操作指向內(nèi)核sock結(jié)構(gòu)。

是的，操作這個(gè)特殊的文件就相當(dāng)于操作內(nèi)核里對(duì)應(yīng)的sock。

通過(guò)文件找到sock

有了sock_fd句柄之后，我們就需要提供一些接口方法，讓用戶更方便的實(shí)現(xiàn)特定的網(wǎng)絡(luò)編程功能。這些接口，我們列了一下，發(fā)現(xiàn)需要有send()，recv()，bind(),listen()，connect()這些。到這里，我們的內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)傳輸功能就算設(shè)計(jì)完成了。

現(xiàn)在是不是眼熟了，上面這些接口方法其實(shí)就是socket提供出來(lái)的接口。

所以說(shuō)，socket其實(shí)就是個(gè)代碼庫(kù) or 接口層，它介于內(nèi)核和應(yīng)用程序之間，提供了一些高度封裝過(guò)的接口，讓我們?nèi)ナ褂?strong>內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。

基于sock實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能

到這里，我們應(yīng)該明白了。我們平時(shí)寫的應(yīng)用程序里代碼里雖然用了socket實(shí)現(xiàn)了收發(fā)數(shù)據(jù)包的功能，但其實(shí)真正執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)通信功能的，不是應(yīng)用程序，而是linux內(nèi)核。相當(dāng)于應(yīng)用程序通過(guò)socket提供的接口，將網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪@部分工作外包給了linux內(nèi)核。

這聽起來(lái)像不像我們最熟悉的前后端分離的服務(wù)架構(gòu)，雖然這么說(shuō)不太嚴(yán)謹(jǐn)，但看上去linux就像是被分成了應(yīng)用程序和內(nèi)核兩個(gè)服務(wù)。內(nèi)核就像是后端，暴露了好多個(gè)api接口，其中一類就是socket的send()和recv()這些方法。應(yīng)用程序就像是前端，負(fù)責(zé)調(diào)用內(nèi)核提供的接口來(lái)實(shí)現(xiàn)想要的功能。

進(jìn)程通過(guò)socket調(diào)用內(nèi)核功能

看到這里，我擔(dān)心大家會(huì)有點(diǎn)混亂，來(lái)做個(gè)小的總結(jié)。

在操作系統(tǒng)內(nèi)核空間里，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的結(jié)構(gòu)是sock，基于不同的協(xié)議和應(yīng)用場(chǎng)景，會(huì)被泛化為各種類型的xx_sock，它們結(jié)合硬件，共同實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。為了將這部分功能暴露給用戶空間的應(yīng)用程序使用，于是引入了socket層，同時(shí)將sock嵌入到文件系統(tǒng)的框架里，sock就變成了一個(gè)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(lái)操作內(nèi)核sock的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。

這個(gè)socket_fd是一個(gè)int類型的數(shù)字?，F(xiàn)在回去看socket的中文翻譯，套接字，我將它理解為一套用于連接的數(shù)字，是不是就覺(jué)得特別合理了。

網(wǎng)絡(luò)分層與基于sock實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能

socket如何實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信

上面關(guān)于怎么實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能這一塊一筆帶過(guò)了。

現(xiàn)在我們來(lái)聊聊。

這套sock的結(jié)構(gòu)其實(shí)非常復(fù)雜。我們以最常用的TCP協(xié)議為例，簡(jiǎn)單了解下它是怎么實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的。

我將它分為兩階段，分別是建立連接和數(shù)據(jù)傳輸。

建立連接

對(duì)于TCP，要傳數(shù)據(jù)，就得先在客戶端和服務(wù)端中間建立連接。

在客戶端，代碼執(zhí)行socket提供的connect(sockfd, "ip:port")方法時(shí)，會(huì)通過(guò)sockfd句柄找到對(duì)應(yīng)的文件，再根據(jù)文件里的信息指向內(nèi)核的sock結(jié)構(gòu)。通過(guò)這個(gè)sock結(jié)構(gòu)主動(dòng)發(fā)起三次握手。

TCP三次握手

在服務(wù)端握手次數(shù)還沒(méi)達(dá)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(huì)用半連接隊(duì)列和全連接隊(duì)列來(lái)存放，這兩個(gè)隊(duì)列會(huì)在你執(zhí)行l(wèi)isten()方法的時(shí)候創(chuàng)建好。當(dāng)服務(wù)端執(zhí)行accept()方法時(shí)，就會(huì)從全連接隊(duì)列里拿出一條全連接。

半連接隊(duì)列和全連接隊(duì)列

至此，連接就算準(zhǔn)備好了，之后，就可以開始傳輸數(shù)據(jù)。

雖然都叫隊(duì)列，但半連接隊(duì)列其實(shí)是個(gè)hash表，而全連接隊(duì)列其實(shí)是個(gè)鏈表。

那么問(wèn)題來(lái)了，為什么半連接隊(duì)列要設(shè)計(jì)成哈希表而全連接隊(duì)列是個(gè)鏈表？這個(gè)在我在我之前寫的《沒(méi)有accept，能建立TCP連接嗎？》已經(jīng)提到過(guò)，不再重復(fù)。

數(shù)據(jù)傳輸

為了實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的功能，sock結(jié)構(gòu)體里帶了一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)和一個(gè)接收緩沖區(qū)，說(shuō)是緩沖區(qū)，但其實(shí)就是個(gè)鏈表，上面掛著一個(gè)個(gè)準(zhǔn)備要發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)。

當(dāng)應(yīng)用執(zhí)行send()方法發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，同樣也會(huì)通過(guò)sock_fd句柄找到對(duì)應(yīng)的文件，根據(jù)文件指向的sock結(jié)構(gòu)，找到這個(gè)sock結(jié)構(gòu)里帶的發(fā)送緩沖區(qū)，將數(shù)據(jù)會(huì)放到發(fā)送緩沖區(qū)，然后結(jié)束流程，內(nèi)核看心情決定什么時(shí)候?qū)⑦@份數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

接收數(shù)據(jù)流程也類似，當(dāng)數(shù)據(jù)送到linux內(nèi)核后，數(shù)據(jù)不是立馬給到應(yīng)用程序的，而是先放在接收緩沖區(qū)中，數(shù)據(jù)靜靜躺著，卑微的等待應(yīng)用程序什么時(shí)候執(zhí)行recv()方法來(lái)拿一下。就像我的文章，躺在你的推文列表里，卑微的等一個(gè)點(diǎn)贊關(guān)注轉(zhuǎn)發(fā)三連。懂？

sock的發(fā)送和接收緩沖區(qū)

IP和端口其實(shí)不在sock下，而在inet_sock下，上面這么畫只是為了簡(jiǎn)化。。。

那么問(wèn)題來(lái)了，發(fā)送數(shù)據(jù)是應(yīng)用程序主動(dòng)發(fā)起，這個(gè)大家都沒(méi)問(wèn)題。

那接收數(shù)據(jù)呢？數(shù)據(jù)從遠(yuǎn)端發(fā)過(guò)來(lái)了，怎么通知并給到應(yīng)用程序呢？

這就需要用到等待隊(duì)列。

sock內(nèi)的等待隊(duì)列

當(dāng)你的應(yīng)用進(jìn)程執(zhí)行recv()方法嘗試獲?。ㄗ枞麍?chǎng)景下）接收緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)時(shí)。

?如果有數(shù)據(jù)，那正好，取走就好了。這點(diǎn)沒(méi)啥疑問(wèn)。

?但如果沒(méi)數(shù)據(jù)，就會(huì)將自己的進(jìn)程信息注冊(cè)到這個(gè)sock用的等待隊(duì)列里，然后進(jìn)程休眠。如果這時(shí)候有數(shù)據(jù)從遠(yuǎn)端發(fā)過(guò)來(lái)了，數(shù)據(jù)進(jìn)入到接收緩沖區(qū)時(shí)，內(nèi)核就會(huì)取出sock的等待隊(duì)列里的進(jìn)程，喚醒進(jìn)程來(lái)取數(shù)據(jù)。

recv時(shí)無(wú)數(shù)據(jù)進(jìn)程進(jìn)入等待隊(duì)列

有時(shí)候，你會(huì)看到多個(gè)進(jìn)程通過(guò)fork的方式，listen了同一個(gè)socket_fd。在內(nèi)核，它們都是同一個(gè)sock，多個(gè)進(jìn)程執(zhí)行l(wèi)isten()之后，都嗷嗷等待連接進(jìn)來(lái)，所以都會(huì)將自身的進(jìn)程信息注冊(cè)到這個(gè)socket_fd對(duì)應(yīng)的內(nèi)核sock的等待隊(duì)列中。如果這時(shí)真來(lái)了一個(gè)連接，是該喚醒等待隊(duì)列里的哪個(gè)進(jìn)程來(lái)接收連接呢？這個(gè)問(wèn)題的答案比較有趣。

?在linux 2.6以前，會(huì)喚醒等待隊(duì)列里的所有進(jìn)程。但最后其實(shí)只有一個(gè)進(jìn)程會(huì)處理這個(gè)連接請(qǐng)求，其他進(jìn)程又重新進(jìn)入休眠，這些被喚醒了又無(wú)事可做最后只能重新回去休眠的進(jìn)程會(huì)消耗一定的資源。就好像你在廣東的街頭，想問(wèn)路，叫一聲靚仔，幾十個(gè)人同時(shí)回頭，但你其實(shí)只需要其中一個(gè)靚仔告訴你路該怎么走。你這種一不小心驚動(dòng)這群靚仔的場(chǎng)景，在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中，就叫驚群效應(yīng)。

?在linux 2.6之后，只會(huì)喚醒等待隊(duì)列里的其中一個(gè)進(jìn)程。是的，socket監(jiān)聽的驚群效應(yīng)問(wèn)題被修復(fù)了。

驚群效應(yīng)

看到這里，問(wèn)題又來(lái)了。

服務(wù)端 listen 的時(shí)候，那么多數(shù)據(jù)到一個(gè) socket 怎么區(qū)分多個(gè)客戶端的？

以TCP為例，服務(wù)端執(zhí)行l(wèi)isten方法后，會(huì)等待客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)來(lái)?？蛻舳税l(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包上會(huì)有源IP地址和端口，以及目的IP地址和端口，這四個(gè)元素構(gòu)成一個(gè)四元組，可以用于唯一標(biāo)記一個(gè)客戶端。

其實(shí)說(shuō)四元組并不嚴(yán)謹(jǐn)，因?yàn)檫^(guò)程中還有很多其他信息，也可以說(shuō)是五元組。。。但大概理解就好，就這樣吧。。。

四元組

服務(wù)端會(huì)創(chuàng)建一個(gè)新的內(nèi)核sock，并用四元組生成一個(gè)hash key，將它放入到一個(gè)hash表中。

四元組映射成hash鍵

下次再有消息進(jìn)來(lái)的時(shí)候，通過(guò)消息自帶的四元組生成hash key再到這個(gè)hash表里重新取出對(duì)應(yīng)的sock就好了。所以說(shuō)服務(wù)端是通過(guò)四元組來(lái)區(qū)分多個(gè)客戶端的。

多個(gè)hash_key對(duì)應(yīng)多個(gè)客戶端

sock怎么實(shí)現(xiàn)"繼承"

最后遺留一個(gè)問(wèn)題。

大家都知道linux內(nèi)核是C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的，而C語(yǔ)言沒(méi)有類也沒(méi)有繼承的特性，是怎么做到"繼承"的效果的呢？

在C語(yǔ)言里，結(jié)構(gòu)體里的內(nèi)存是連續(xù)的，將要繼承的"父類"，放到結(jié)構(gòu)體的第一位，就像下面這樣。

structtcp_sock{
/*inet_connection_sockhastobethefirstmemberoftcp_sock*/
structinet_connection_sockinet_conn;
//其他字段
}

structinet_connection_sock{
/*inet_sockhastobethefirstmember!*/
structinet_sockicsk_inet;
//其他字段
}

然后我們就可以通過(guò)結(jié)構(gòu)體名的長(zhǎng)度來(lái)強(qiáng)行截取內(nèi)存，這樣就能轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體，從而實(shí)現(xiàn)類似"繼承"的效果。

//sock轉(zhuǎn)為tcp_sock
staticinlinestructtcp_sock*tcp_sk(conststructsock*sk)
{
return(structtcp_sock*)sk;
}

總結(jié)

?socket中文套接字，我理解為一套用于連接的數(shù)字。并不一定準(zhǔn)確，歡迎評(píng)論。

? sock在內(nèi)核，socket_fd在用戶空間，socket層介于內(nèi)核和用戶空間之間。

?在操作系統(tǒng)內(nèi)核空間里，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能的結(jié)構(gòu)是sock，基于不同的協(xié)議和應(yīng)用場(chǎng)景，會(huì)被泛化為各種類型的xx_sock，它們結(jié)合硬件，共同實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。為了將這部分功能暴露給用戶空間的應(yīng)用程序使用，于是引入了socket層，同時(shí)將sock嵌入到文件系統(tǒng)的框架里，sock就變成了一個(gè)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(lái)操作內(nèi)核sock的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。

?服務(wù)端可以通過(guò)四元組來(lái)區(qū)分多個(gè)客戶端。

?內(nèi)核通過(guò)c語(yǔ)言"結(jié)構(gòu)體里的內(nèi)存是連續(xù)的"這一特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了類似繼承的效果。

審核編輯：劉清