前言

前四篇文章讲述了Okhttp的核心原理，得知Okhttp是基于Socket开发的，而不是基于HttpUrlConnection开发的。

其中对于客户端来说，核心有如下四个步骤：

1.dns lookup 把资源地址转化为ip地址
2.socket.connect 通过socket把客户端和服务端联系起来
3.socket.starthandshake
4.socket.handshake

第五篇介绍了DNS的查询流程。本文开始聊聊Socket中的核心原理。而socket就是所有网络编程的核心，就算是DNS的查询实现也是通过socket为基础实现。

注意接下来涉及的内核源码是3.1.8。

正文

Socket是什么？在计算机术语中都叫套接字。这种翻译比较拗口且难以理解。我在网上看到一个比较有趣的解释，socket的在日常用法的语义为插槽。如果把语义延展开来，可以看成是两个服务器之间的用于通信的插槽，一旦通过connect链接起来就把两个服务器之间的通信通道通过socket插槽链接起来了。

1.客户端使用

来看看Java中的用法（这里我们只关注客户端tcp传输的逻辑），一般使用如下：

1.声明一个Socket对象

Socket socket = new Socket(host, port);

也可以直接想Okhttp中一样直接使用默认的构造函数

Socket socket = new Socket();

2.如果之前没有设置过地址，那么此时就需要connect 链接对端的地址

socket.connect(address, connectTimeout)

1. 获取到socket的读写流，往socket中写入数据，或者读取数据

socket.getOutputStream().write(message.getBytes("UTF-8"));
InputStream inputStream = socket.getInputStream();
len = inputStream.read(bytes)

实际上客户端的用法十分简单。

对于服务端又是怎么使用的呢？

2.服务端使用

1.构建一个ServerSocket 对象后，调用accept方法生成一个Socket对象


    ServerSocket server = new ServerSocket(port);
   
    Socket socket = server.accept();

1. 通过获取读取流和写入流进行对客户端socket的发送的数据的读取以及应答。


    InputStream inputStream = socket.getInputStream();
    byte[] bytes = new byte[1024];
    int len;
    StringBuilder sb = new StringBuilder();

    while ((len = inputStream.read(bytes)) != -1) {
      sb.append(new String(bytes, 0, len, "UTF-8"));
    }

    OutputStream outputStream = socket.getOutputStream();
    outputStream.write("...".getBytes("UTF-8"));

当理解了整个使用后，我们依次来看看socket在底层中都做了什么？

正文

我们先从客户端Socket实例化，到服务端Socket的初始化并监听开始考察。

1.客户端Socket实例化

    public Socket() {
        setImpl();
    }

    void setImpl() {
        if (factory != null) {
            impl = factory.createSocketImpl();
            checkOldImpl();
        } else {
            // SocketImpl!
            impl = new SocksSocketImpl();
        }
        if (impl != null)
            impl.setSocket(this);
    }

Socket所有的事情都会交给这个SocksSocketImpl完成。

2.SocksSocketImpl 构造函数与初始化

先来看看SocksSocketImpl 的UML继承结构

SocksSocketImpl.png

这个结构图中，SocketOptions定义了接口敞亮，抽象类SocketImpl 定义了connect等核心的抽象方法，PlainSocketImpl则定义了一个构造函数，这一个特殊的构造函数，这个构造函数为PlainSocketImpl创建了一个FileDescriptor文件描述符对象。

SocksSocketImpl无参构造函数并不会做任何事情：


    SocksSocketImpl() {
        // Nothing needed
    }

而setSocket中，调用的是SocketImpl中方法：

    void setSocket(Socket soc) {
        this.socket = soc;
    }

存储当前的socket对象

3.Socket connect 链接到客户端

上文中，当Okhttp客户端需要链接到某个地址，就会尝试着从域名中解析出地址和端口，然后通过这两个数据生成InetSocketAddress对象。

  open fun connectSocket(socket: Socket, address: InetSocketAddress, connectTimeout: Int) {
    socket.connect(address, connectTimeout)
  }

   public void connect(SocketAddress endpoint, int timeout) throws IOException {


        InetSocketAddress epoint = (InetSocketAddress) endpoint;
        InetAddress addr = epoint.getAddress ();
        int port = epoint.getPort();
        checkAddress(addr, "connect");

        SecurityManager security = System.getSecurityManager();
        if (security != null) {
            if (epoint.isUnresolved())
                security.checkConnect(epoint.getHostName(), port);
            else
                security.checkConnect(addr.getHostAddress(), port);
        }
        if (!created)
            createImpl(true);
        if (!oldImpl)
            impl.connect(epoint, timeout);
        else if (timeout == 0) {
            if (epoint.isUnresolved())
                impl.connect(addr.getHostName(), port);
            else
                impl.connect(addr, port);
        } else
            throw new UnsupportedOperationException("SocketImpl.connect(addr, timeout)");


        connected = true;
        bound = true;
    }

1.首先通过SecurityManager 校验即将链接的服务器地址和端口号是否合，不合法则直接抛出异常
2.如果没有创建过，则调用createImpl 创建一个底层的Socket对象
3.如果不是使用以前的Socket的对象，也就是oldImpl为false，那么就调用SocksSocketImpl的connect进行链接。

3.1.Socket createImpl 创建一个底层的Socket对象

     void createImpl(boolean stream) throws SocketException {
        if (impl == null)
            setImpl();
        try {
            impl.create(stream);
            created = true;
        } catch (IOException e) {
            throw new SocketException(e.getMessage());
        }
    }

核心还是SocksSocketImpl的create 方法。

3.2.AbstractPlainSocketImpl create

文件：/libcore/ojluni/src/main/java/java/net/AbstractPlainSocketImpl.java

    protected synchronized void create(boolean stream) throws IOException {
        this.stream = stream;
        if (!stream) {
            ResourceManager.beforeUdpCreate();

            try {
                socketCreate(false);
            } catch (IOException ioe) {
...
            }
        } else {
            socketCreate(true);
        }
        if (socket != null)
            socket.setCreated();
        if (serverSocket != null)
            serverSocket.setCreated();

        if (fd != null && fd.valid()) {
            guard.open("close");
        }
    }

核心是由PlainSocketImpl实现的抽象方法socketCreate完成的。

    void socketCreate(boolean isStream) throws IOException {
        fd.setInt$(IoBridge.socket(AF_INET6, isStream ? SOCK_STREAM : SOCK_DGRAM, 0).getInt$());

        if (serverSocket != null) {
            IoUtils.setBlocking(fd, false);
            IoBridge.setSocketOption(fd, SO_REUSEADDR, true);
        }
    }

通过IoBridge.socket创建一个socket对象后，并返回这个对象对应的文件描述符具柄设置到PlainSocketImpl中缓存的文件描述符对象.注意这个过程写死了AF_INET6 作为ip地址族传入。说明必定是可以接受ipv6协议的地址数据。

    public static FileDescriptor socket(int domain, int type, int protocol) throws SocketException {
        FileDescriptor fd;
        try {
            fd = Libcore.os.socket(domain, type, protocol);

            return fd;
        } catch (ErrnoException errnoException) {
            throw errnoException.rethrowAsSocketException();
        }
    }

注意这个方法是一个native方法，我们去下面文件中：
libcore/luni/src/main/native/libcore_io_Linux.cpp

static jobject Linux_socket(JNIEnv* env, jobject, jint domain, jint type, jint protocol) {
    if (domain == AF_PACKET) {
        protocol = htons(protocol);  // Packet sockets specify the protocol in host byte order.
    }
    int fd = throwIfMinusOne(env, "socket", TEMP_FAILURE_RETRY(socket(domain, type, protocol)));
    return fd != -1 ? jniCreateFileDescriptor(env, fd) : NULL;
}

能看到实际上就是调用了系统调用socket 为套接字创建一个对应的文件描述符后，返回一个Java的FileDescriptor 对象返回。

4.Socket系统调用

文件：/net/socket.c

SYSCALL_DEFINE3(socket, int, family, int, type, int, protocol)
{
    int retval;
    struct socket *sock;
    int flags;

...

    flags = type & ~SOCK_TYPE_MASK;
    if (flags & ~(SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK))
        return -EINVAL;
    type &= SOCK_TYPE_MASK;

    if (SOCK_NONBLOCK != O_NONBLOCK && (flags & SOCK_NONBLOCK))
        flags = (flags & ~SOCK_NONBLOCK) | O_NONBLOCK;

    retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);
    if (retval < 0)
        goto out;

    retval = sock_map_fd(sock, flags & (O_CLOEXEC | O_NONBLOCK));
    if (retval < 0)
        goto out_release;

out:
    /* It may be already another descriptor 8) Not kernel problem. */
    return retval;

out_release:
    sock_release(sock);
    return retval;
}

分为2个步骤：

1.sock_create 创建一个socket 结构体
2.sock_map_fd 把结构体和fd具柄关联起来

为了更加清晰的理解socket结构体的内容我们看看这个结构体都包含了什么字段？

struct socket {
    socket_state        state;

    kmemcheck_bitfield_begin(type);
    short           type;
    kmemcheck_bitfield_end(type);

    unsigned long       flags;

    struct socket_wq __rcu  *wq;

    struct file     *file;
    struct sock     *sk;
    const struct proto_ops  *ops;
};

1.socket_state 当前socket的枚举状态
2.type 当前socket对应的类型
3.flag 当前socket带上的标识为
4.socket中对应的等待队列
5.file socket对应的文件描述符
6.sock 结构体是指socket中更为核心的具体操作函数以及标志位
7.proto_ops 对应的协议操作结构体

4.1.__sock_create 创建socket结构体

int __sock_create(struct net *net, int family, int type, int protocol,
             struct socket **res, int kern)
{
    int err;
    struct socket *sock;
    const struct net_proto_family *pf;
...


    err = security_socket_create(family, type, protocol, kern);
    if (err)
        return err;


    sock = sock_alloc();
...

    sock->type = type;

...

    rcu_read_lock();
    pf = rcu_dereference(net_families[family]);
    err = -EAFNOSUPPORT;
    if (!pf)
        goto out_release;

    if (!try_module_get(pf->owner))
        goto out_release;

    /* Now protected by module ref count */
    rcu_read_unlock();

    err = pf->create(net, sock, protocol, kern);
    if (err < 0)
        goto out_module_put;


    if (!try_module_get(sock->ops->owner))
        goto out_module_busy;

    module_put(pf->owner);
    err = security_socket_post_create(sock, family, type, protocol, kern);
    if (err)
        goto out_sock_release;
    *res = sock;

    return 0;

...
}

1.security_socket_create 通过SELinux进行校验。SELinux本质上就是在一个文件中写好了每一个进程允许做的事情，当需要读取文件数据，socket等敏感操作时候将会进行一次check。可以通过security_register 进行注册。
1. 一旦校验通过后，则会调用sock_alloc创建一个sock结构体，该并在结构体记录当前type，常见的数据类型如下：

enum sock_type {
SOCK_STREAM = 1,
SOCK_DGRAM = 2,
SOCK_RAW = 3,
...
}

SOCK_STREAM 是指面向数据流属于TCP协议；SOCK_DGRAM面向数据报文属于UDP协议；SOCK_RAW 是指原始ip包

1. rcu_dereference 进行rcu（Read-Copy-update）模式保护当前net_families (地址族)数组中对应引用的指针。rcu实际上就是我之前说过的一种特殊的线程设计，任意读取数据，写时候需要进行同步的方式。当读取的情况比较多的时候，就可以采用这种方式。注意net_families 是指当前的传递下来的domain,也就是这是ipv4还是ipv6族。
4.调用net_families中对应族的的create方法。

在这里涉及到了几个比较核心结构体。

4.1.1.socket 结构体的创建与socket 内核模块的初始化

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

    inode = new_inode_pseudo(sock_mnt->mnt_sb);
    if (!inode)
        return NULL;

    sock = SOCKET_I(inode);

    kmemcheck_annotate_bitfield(sock, type);
    inode->i_ino = get_next_ino();
    inode->i_mode = S_IFSOCK | S_IRWXUGO;
    inode->i_uid = current_fsuid();
    inode->i_gid = current_fsgid();
    inode->i_op = &sockfs_inode_ops;

    this_cpu_add(sockets_in_use, 1);
    return sock;
}

1.new_inode_pseudo 通过虚拟文件系统创建一个inode对象。注意这里是通过结构体为名为sock_mnt的vfsmount 创建一个inode

1. SOCKET_I 从inode中创建socket结构体。

4.1.2.socket模块的初始化以及对应vfsmount生成原理

关于sock_mnt 初始化，在socket内核模块加载时候就加载好了：

static int __init sock_init(void)
{
    int err;
    err = net_sysctl_init();
    if (err)
        goto out;

    skb_init();


    init_inodecache();

    err = register_filesystem(&sock_fs_type);
    if (err)
        goto out_fs;
    sock_mnt = kern_mount(&sock_fs_type);
...
}

这个过程实际上就是初始化好socket对应的虚拟文件系统操作,把sock_fs_type注册在虚拟文件系统中，并通过kern_mount 调用操作结构体的mount指针挂在在系统中，返回mnt 结构体挂载对象进行操作。

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

结合第一段代码，可以得知，实际上整个socket内核模块初始化调用的就是sockfs_mount。

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

static const struct dentry_operations sockfs_dentry_operations = {
    .d_dname  = sockfs_dname,
};

mount_pseudo 会为当前socket对应的超级块设置一套操作结构体，生成对应的inode的时候会先调用dentry_operations 生成一个个detry(你可以看成文件路径),接着调用sockfs_ops的alloc_inode 生成inode。

4.1.3.sock_alloc_inode 生成对应的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);
    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;
}

这个过程实际上从快速缓存中生成一个socket_alloc 对象，这个对象中持有inode结构体。并初始化对应的那个等待队列。

static inline struct socket *SOCKET_I(struct inode *inode)
{
    return &container_of(inode, struct socket_alloc, vfs_inode)->socket;
}

当需要获取对应的socket结构体时候，就会通过inode反过来查找socket_alloc中的socket.

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

4.1.4.Linux内核网络模块初始化 net_families 地址族的注册

知道socket结构体是如何生成的。再来关注net_families是什么时候注册的。地址族是什么？顾名思义就是指地址类别，比如ipv4，ipv6等地址类型。

我们看看文件：
/net/ipv4/af_inet.c

对应ipv4 内核模块的注册代码：

static int __init inet_init(void)
{
    struct inet_protosw *q;
    struct list_head *r;
    int rc = -EINVAL;

    rc = proto_register(&tcp_prot, 1);
    if (rc)
        goto out;

    rc = proto_register(&udp_prot, 1);
    if (rc)
        goto out_unregister_tcp_proto;

    rc = proto_register(&raw_prot, 1);
    if (rc)
        goto out_unregister_udp_proto;

    rc = proto_register(&ping_prot, 1);
    if (rc)
        goto out_unregister_raw_proto;

    /*
     *  Tell SOCKET that we are alive...
     */

    (void)sock_register(&inet_family_ops);

#ifdef CONFIG_SYSCTL
    ip_static_sysctl_init();
#endif

    /*
     *  Add all the base protocols.
     */

    if (inet_add_protocol(&icmp_protocol, IPPROTO_ICMP) < 0)
        pr_crit("%s: Cannot add ICMP protocol\n", __func__);
    if (inet_add_protocol(&udp_protocol, IPPROTO_UDP) < 0)
        pr_crit("%s: Cannot add UDP protocol\n", __func__);
    if (inet_add_protocol(&tcp_protocol, IPPROTO_TCP) < 0)
        pr_crit("%s: Cannot add TCP protocol\n", __func__);


    for (r = &inetsw[0]; r < &inetsw[SOCK_MAX]; ++r)
        INIT_LIST_HEAD(r);

    for (q = inetsw_array; q < &inetsw_array[INETSW_ARRAY_LEN]; ++q)
        inet_register_protosw(q);


    arp_init();


    ip_init();

    tcp_v4_init();


    tcp_init();

    udp_init();


    udplite4_register();

    ping_init();


...


    ipfrag_init();

    dev_add_pack(&ip_packet_type);

    rc = 0;
...
}

fs_initcall(inet_init);

这一段其实就是Linux内核对网络模块的初始化：

1. proto_register 将tcp_prot(tcp协议),udp_prot(udp协议),raw_prot(原始ip包),ping_prot( ping 协议) 结构体注册到全局变量proto_list。

简单的看看tcp_prot 结构体内容：

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,
    .recvmsg        = tcp_recvmsg,
    .sendmsg        = tcp_sendmsg,
    .sendpage       = tcp_sendpage,
    .backlog_rcv        = tcp_v4_do_rcv,
    .release_cb     = tcp_release_cb,
    .hash           = inet_hash,
    .unhash         = inet_unhash,
    .get_port       = inet_csk_get_port,
    .enter_memory_pressure  = tcp_enter_memory_pressure,
    .stream_memory_free = tcp_stream_memory_free,
    .sockets_allocated  = &tcp_sockets_allocated,
    .orphan_count       = &tcp_orphan_count,
    .memory_allocated   = &tcp_memory_allocated,
    .memory_pressure    = &tcp_memory_pressure,
    .sysctl_mem     = sysctl_tcp_mem,
    .sysctl_wmem        = sysctl_tcp_wmem,
    .sysctl_rmem        = sysctl_tcp_rmem,
    .max_header     = MAX_TCP_HEADER,
    .obj_size       = sizeof(struct tcp_sock),
    .slab_flags     = SLAB_DESTROY_BY_RCU,
    .twsk_prot      = &tcp_timewait_sock_ops,
    .rsk_prot       = &tcp_request_sock_ops,
    .h.hashinfo     = &tcp_hashinfo,
    .no_autobind        = true,
...
};

在这个结构体定义了tcp协议的面向网络链接的操作符

2.sock_register初始化socket模块以及协议族，从严格意义来说在proto_register注册过程中已经完成了常用协议的注册。
3.inet_add_protocol 将icmp_protocol,udp_protocol,tcp_protocol 等回调协议添加到inet_protos 链表中。

int inet_add_protocol(const struct net_protocol *prot, unsigned char protocol)
{
...
    return !cmpxchg((const struct net_protocol **)&inet_protos[protocol],
            NULL, prot) ? 0 : -1;
}

我们调tcp协议对应的tcp_protocol结构体看看里面定义了什么操作函数：

static const struct net_protocol tcp_protocol = {
    .early_demux    =   tcp_v4_early_demux,
    .handler    =   tcp_v4_rcv,
    .err_handler    =   tcp_v4_err,
    .no_policy  =   1,
    .netns_ok   =   1,
    .icmp_strict_tag_validation = 1,
};

主要函数handler 所对应的tcp_v4_rcv方法。这个方法决定了tcp协议数据从另一端到来后的操作。

1. 遍历inetsw_array 数组，把每个元素通过inet_register_protosw方法注册到inetsw数组中。

来看看inetsw_array 内容：

static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{
    {
        .type =       SOCK_STREAM,
        .protocol =   IPPROTO_TCP,
        .prot =       &tcp_prot,
        .ops =        &inet_stream_ops,
        .flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT |
                  INET_PROTOSW_ICSK,
    },

    {
        .type =       SOCK_DGRAM,
        .protocol =   IPPROTO_UDP,
        .prot =       &udp_prot,
        .ops =        &inet_dgram_ops,
        .flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT,
       },

       {
        .type =       SOCK_DGRAM,
        .protocol =   IPPROTO_ICMP,
        .prot =       &ping_prot,
        .ops =        &inet_dgram_ops,
        .flags =      INET_PROTOSW_REUSE,
       },

       {
           .type =       SOCK_RAW,
           .protocol =   IPPROTO_IP,    /* wild card */
           .prot =       &raw_prot,
           .ops =        &inet_sockraw_ops,
           .flags =      INET_PROTOSW_REUSE,
       }
};

这个数组决定了tcp层协议的操作符，协议类型，以及协议面向外部的模块处理方法。

举一个tcp的例子：

类型为SOCK_STREAM 代表是面向数据流
protocol 为 IPPROTO_TCP 代表当前协议是tcp协议
prot 为tcp_prot 就是tcp协议的特殊操作方法
ops 为inet_stream_ops 是指当前数据流对应的文件描述符中复写的操作是什么
flags 是指当前的协议状态。INET_PROTOSW_PERMANENT 是指永久不变的协议，INET_PROTOSW_REUSE 是指该协议会复用端口。

const struct proto_ops inet_stream_ops = {
    .family        = PF_INET,
    .owner         = THIS_MODULE,
    .release       = inet_release,
    .bind          = inet_bind,
    .connect       = inet_stream_connect,
    .socketpair    = sock_no_socketpair,
    .accept        = inet_accept,
    .getname       = inet_getname,
    .poll          = tcp_poll,
    .ioctl         = inet_ioctl,
    .listen        = inet_listen,
    .shutdown      = inet_shutdown,
    .setsockopt    = sock_common_setsockopt,
    .getsockopt    = sock_common_getsockopt,
    .sendmsg       = inet_sendmsg,
    .recvmsg       = inet_recvmsg,
    .mmap          = sock_no_mmap,
    .sendpage      = inet_sendpage,
    .splice_read       = tcp_splice_read,
#ifdef CONFIG_COMPAT
...
#endif
};

从这个结构体中，我们就能大致猜到整个tcp的设计框架了。必定是先找到socket文件描述符中对应的协议文件描述符inet_stream_ops,接着找到tcp_prot结构体进行进一步的处理。

1. arp_init 对数据链路层的arp协议相关的邻居表进行初始化。
1. ip_init 对网络层的ip模块的初始化，在这里初始化ip对应的route_table 内存。
1. tcp_v4_init 与 tcp_init 可以看作一个整体都是初始化tcp模块。tcp_init 初始化了inet_hashinfo结构体。这个结构体实际上就是用于管理分配给socket端口。该结构体会通过一个哈希表对端口进行一次管理。

1. tcp_init 方法则是初始化请求需要的内存，以及inet_hashinfo中的hash表，并计算之后每一个请求和接受的临时缓冲区计算好大小阈值。发送缓冲区为16kb，接受缓冲区大小约为85kb。

9.udp_init 初始化了UDP需要的内存阈值，udplite4_register 则是注册一个全新的UDLITE协议到内核中。在这个过程就能看到内核添加一个自定义协议的原始三步骤: proto_register ,inet_add_protocol,inet_register_protosw

void __init udplite4_register(void)
{
    udp_table_init(&udplite_table, "UDP-Lite");
    if (proto_register(&udplite_prot, 1))
        goto out_register_err;

    if (inet_add_protocol(&udplite_protocol, IPPROTO_UDPLITE) < 0)
        goto out_unregister_proto;

    inet_register_protosw(&udplite4_protosw);

....
}

1. ping_init 对Ping协议进行初始化
1. ipfrag_init 初始化inet_frags结构体。该结构体实际上负责了整个数据流临时缓冲区的分片。

我们把重心放在sock_register中。

4.1.5.sock_register 注册创建地址族结构体

int sock_register(const struct net_proto_family *ops)
{
    int err;

    if (ops->family >= NPROTO) {
        return -ENOBUFS;
    }

    spin_lock(&net_family_lock);
    if (rcu_dereference_protected(net_families[ops->family],
                      lockdep_is_held(&net_family_lock)))
        err = -EEXIST;
    else {
        rcu_assign_pointer(net_families[ops->family], ops);
        err = 0;
    }
    spin_unlock(&net_family_lock);

    return err;
}

能看到是做了一个rcu的锁进行保护后，把net_proto_family注册到net_families 数组中。

来看看注册的对象，family的字段为PF_INET，能通过net_families寻找下标为PF_INET 找到inet_family_ops.这样就注册到socket模块中。

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

在socket进行初始化的时候，调用了net_families 中对应family下的net_proto_family，设置的是AF_INET6的参数。说明是进入了对应的ipv6的内核模块进行创建，我们来看看ipv6内核模块加载的核心方法。

这里注意，如果你去看源码你会发现在Java源码中对应AF_INET6 是一个placeholder方法返回的默认数值是0.实际上这个过程是JVM加载的时候设置进去的。而设置的数据可以打印AF_INET6出来也是对应上内核AF_INET6一样的数值10

4.1.6.ipv6 ip地址族内核模块初始化

static int __init inet6_init(void)
{
...
    err = sock_register(&inet6_family_ops);
...
...
}
module_init(inet6_init);

注册这个结构体：

static const struct net_proto_family inet6_family_ops = {
    .family = PF_INET6,
    .create = inet6_create,
    .owner  = THIS_MODULE,
};

说明此时注册在socket模块中net_families 对应下标是PF_INET6的创建协议族方法。

我们回到最初的__sock_create方法创建socket结构体的下面这段话

 err = pf->create(net, sock, protocol, kern);

就能明白，实际上就是调用了inet6_create方法。

4.1.7.inet6_create 创建ipv6的协议族

文件：/net/ipv6/af_inet6.c

注意此时传下来的参数是socket结构体，socket->type 为SOCK_STREAM（此时我们讨论的是TCP）

static int inet6_create(struct net *net, struct socket *sock, int protocol,
            int kern)
{
    struct inet_sock *inet;
    struct ipv6_pinfo *np;
    struct sock *sk;
    struct inet_protosw *answer;
    struct proto *answer_prot;
    unsigned char answer_flags;
    int try_loading_module = 0;
    int err;

...
    err = -ESOCKTNOSUPPORT;
    rcu_read_lock();
    list_for_each_entry_rcu(answer, &inetsw6[sock->type], list) {

        err = 0;
        /* Check the non-wild match. */
        if (protocol == answer->protocol) {
            if (protocol != IPPROTO_IP)
                break;
        } else {
            /* Check for the two wild cases. */
            if (IPPROTO_IP == protocol) {
                protocol = answer->protocol;
                break;
            }
            if (IPPROTO_IP == answer->protocol)
                break;
        }
        err = -EPROTONOSUPPORT;
    }

    if (err) {
...
    }

    err = -EPERM;
    if (sock->type == SOCK_RAW && !kern && !capable(CAP_NET_RAW))
        goto out_rcu_unlock;

    sock->ops = answer->ops;
    answer_prot = answer->prot;
    answer_flags = answer->flags;
    rcu_read_unlock();

    WARN_ON(answer_prot->slab == NULL);

    err = -ENOBUFS;
    sk = sk_alloc(net, PF_INET6, GFP_KERNEL, answer_prot);
    if (sk == NULL)
        goto out;

    sock_init_data(sock, sk);

    err = 0;
    if (INET_PROTOSW_REUSE & answer_flags)
        sk->sk_reuse = SK_CAN_REUSE;

    inet = inet_sk(sk);
    inet->is_icsk = (INET_PROTOSW_ICSK & answer_flags) != 0;

    if (SOCK_RAW == sock->type) {
        inet->inet_num = protocol;
        if (IPPROTO_RAW == protocol)
            inet->hdrincl = 1;
    }

    sk->sk_destruct     = inet_sock_destruct;
    sk->sk_family       = PF_INET6;
    sk->sk_protocol     = protocol;

    sk->sk_backlog_rcv  = answer->prot->backlog_rcv;

    inet_sk(sk)->pinet6 = np = inet6_sk_generic(sk);
    np->hop_limit   = -1;
    np->mcast_hops  = IPV6_DEFAULT_MCASTHOPS;
    np->mc_loop = 1;
    np->pmtudisc    = IPV6_PMTUDISC_WANT;
    sk->sk_ipv6only = net->ipv6.sysctl.bindv6only;

...

    if (inet->inet_num) {

        inet->inet_sport = htons(inet->inet_num);
        sk->sk_prot->hash(sk);
    }
    if (sk->sk_prot->init) {
        err = sk->sk_prot->init(sk);
        if (err) {
            sk_common_release(sk);
            goto out;
        }
    }

...
}

1.遍历保存在inetsw6的协议列表中对应type的协议结构体,赋值到answer中。对应在ipv6中的tcp协议结构体是如下：

static struct inet_protosw tcpv6_protosw = {
    .type       =   SOCK_STREAM,
    .protocol   =   IPPROTO_TCP,
    .prot       =   &tcpv6_prot,
    .ops        =   &inet6_stream_ops`,
    .flags      =   INET_PROTOSW_PERMANENT |
                INET_PROTOSW_ICSK,
};

此时socket结构体中的ops就被替换成了inet6_stream_ops,如果是v4，则是替换成inet_stream_ops.

2.通过sk_alloc方法创建sock结构体，并且把tcpv6_prot赋值给sock结构体.并记录当前的协议类型，sock_init_data则初始化sock的的关键操作。

void sock_init_data(struct socket *sock, struct sock *sk)
{
    skb_queue_head_init(&sk->sk_receive_queue);
    skb_queue_head_init(&sk->sk_write_queue);
    skb_queue_head_init(&sk->sk_error_queue);

    sk->sk_send_head    =   NULL;

    init_timer(&sk->sk_timer);

    sk->sk_allocation   =   GFP_KERNEL;
    sk->sk_rcvbuf       =   sysctl_rmem_default;
    sk->sk_sndbuf       =   sysctl_wmem_default;
    sk->sk_state        =   TCP_CLOSE;
    sk_set_socket(sk, sock);

    sock_set_flag(sk, SOCK_ZAPPED);

    if (sock) {
        sk->sk_type =   sock->type;
        sk->sk_wq   =   sock->wq;
        sock->sk    =   sk;
    } else
        sk->sk_wq   =   NULL;

    spin_lock_init(&sk->sk_dst_lock);
    rwlock_init(&sk->sk_callback_lock);
    lockdep_set_class_and_name(&sk->sk_callback_lock,
            af_callback_keys + sk->sk_family,
            af_family_clock_key_strings[sk->sk_family]);

    sk->sk_state_change =   sock_def_wakeup;
    sk->sk_data_ready   =   sock_def_readable;
    sk->sk_write_space  =   sock_def_write_space;
    sk->sk_error_report =   sock_def_error_report;
    sk->sk_destruct     =   sock_def_destruct;

    sk->sk_frag.page    =   NULL;
    sk->sk_frag.offset  =   0;
    sk->sk_peek_off     =   -1;

    sk->sk_peer_pid     =   NULL;
    sk->sk_peer_cred    =   NULL;
    sk->sk_write_pending    =   0;
    sk->sk_rcvlowat     =   1;
    sk->sk_rcvtimeo     =   MAX_SCHEDULE_TIMEOUT;
    sk->sk_sndtimeo     =   MAX_SCHEDULE_TIMEOUT;

    sk->sk_stamp = ktime_set(-1L, 0);

#ifdef CONFIG_NET_RX_BUSY_POLL
    sk->sk_napi_id      =   0;
    sk->sk_ll_usec      =   sysctl_net_busy_read;
#endif

    sk->sk_max_pacing_rate = ~0U;
    sk->sk_pacing_rate = ~0U;
    /*
     * Before updating sk_refcnt, we must commit prior changes to memory
     * (Documentation/RCU/rculist_nulls.txt for details)
     */
    smp_wmb();
    atomic_set(&sk->sk_refcnt, 1);
    atomic_set(&sk->sk_drops, 0);
}
EXPORT_SYMBOL(sock_init_data);

struct proto tcpv6_prot = {
    .name           = "TCPv6",
    .owner          = THIS_MODULE,
    .close          = tcp_close,
    .connect        = tcp_v6_connect,
    .disconnect     = tcp_disconnect,
    .accept         = inet_csk_accept,
    .ioctl          = tcp_ioctl,
    .init           = tcp_v6_init_sock,
    .destroy        = tcp_v6_destroy_sock,
    .shutdown       = tcp_shutdown,
    .setsockopt     = tcp_setsockopt,
    .getsockopt     = tcp_getsockopt,
    .recvmsg        = tcp_recvmsg,
    .sendmsg        = tcp_sendmsg,
    .sendpage       = tcp_sendpage,
    .backlog_rcv        = tcp_v6_do_rcv,
    .release_cb     = tcp_release_cb,
    .hash           = tcp_v6_hash,
    .unhash         = inet_unhash,
    .get_port       = inet_csk_get_port,
    .enter_memory_pressure  = tcp_enter_memory_pressure,
    .stream_memory_free = tcp_stream_memory_free,
    .sockets_allocated  = &tcp_sockets_allocated,
    .memory_allocated   = &tcp_memory_allocated,
    .memory_pressure    = &tcp_memory_pressure,
    .orphan_count       = &tcp_orphan_count,
    .sysctl_mem     = sysctl_tcp_mem,
    .sysctl_wmem        = sysctl_tcp_wmem,
    .sysctl_rmem        = sysctl_tcp_rmem,
    .max_header     = MAX_TCP_HEADER,
    .obj_size       = sizeof(struct tcp6_sock),
    .slab_flags     = SLAB_DESTROY_BY_RCU,
    .twsk_prot      = &tcp6_timewait_sock_ops,
    .rsk_prot       = &tcp6_request_sock_ops,
    .h.hashinfo     = &tcp_hashinfo,
    .no_autobind        = true,
...
};

3.调用了sk_prot的init方法。其实对应就是tcpv6_prot的init方法。

4.1.8.sk_alloc 创建sock结构体

struct sock *sk_alloc(struct net *net, int family, gfp_t priority,
              struct proto *prot)
{
    struct sock *sk;

    sk = sk_prot_alloc(prot, priority | __GFP_ZERO, family);
    if (sk) {
        sk->sk_family = family;
        sk->sk_prot = sk->sk_prot_creator = prot;
    }

    return sk;
}
EXPORT_SYMBOL(sk_alloc);

这里值得注意的是sock结构体真正进行初始化的是通过 sk_prot_alloc，当初始化结束后，才对sock结构体中的数据进行赋值。注意在这里sock结构体把对应协议proto结构体保存在sk_prot字段中。

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) {
...
    } else
        sk = kmalloc(prot->obj_size, priority);
...

    return sk;
...
}

能看到是通过kmalloc从高速缓冲区中初始化一段结构体大小为obj_size的内存。这个大小是什么呢？

实际上并非是一致暴露在我们眼中sock结构体而是tcp6_sock

.obj_size       = sizeof(struct tcp6_sock),

只是这个结构体拥有了sock结构体所有的字段，且内存结构一致而直接转化成sock结构体.

文件：/include/linux/ipv6.h

struct tcp6_sock {
    struct tcp_sock   tcp;
    /* ipv6_pinfo has to be the last member of tcp6_sock, see inet6_sk_generic */
    struct ipv6_pinfo inet6;
};

能看到这个tcp6_sock结构体包含了tcp_sock 真正包含sock结构体和一个ipv6_pinfo ipv6地址内容的结构体.

让我们继续深挖tcp_sock的内存结构：
文件：/include/linux/tcp.h

struct tcp_sock {
    /* inet_connection_sock has to be the first member of tcp_sock */
    struct inet_connection_sock inet_conn;
...
};

但是还不够清晰，继续深挖，因为可以直接无缝强转sock结构体必定包含这个结构体在inet_connection_sock中。

文件：/include/net/inet_connection_sock.h

struct inet_connection_sock {
    /* inet_sock has to be the first member! */
    struct inet_sock      icsk_inet;
...
};

文件：/include/net/inet_sock.h

struct inet_sock {
    /* sk and pinet6 has to be the first two members of inet_sock */
    struct sock     sk;
...
};

终于看到了，sock结构体在这里。实际上这个思想想不想我们java的继承呢？只是内存结构上有一定要求而已。

sock内存结构.png

4.1.9.tcpv6_prot init

文件：/net/ipv6/tcp_ipv6.c

static int tcp_v6_init_sock(struct sock *sk)
{
    struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);

    tcp_init_sock(sk);

    icsk->icsk_af_ops = &ipv6_specific;


    return 0;
}

1.inet_csk 其实就是相当于把sock强转成inet_connection_sock。因为inet_connection_sock结构体内存结构前半段和sock一致，因此可以无缝转化。
2.tcp_init_sock 初始化inet_connection_sock结构体

文件：/net/ipv4/tcp.c

void tcp_init_sock(struct sock *sk)
{
    struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
    struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);

    __skb_queue_head_init(&tp->out_of_order_queue);
    tcp_init_xmit_timers(sk);
    tcp_prequeue_init(tp);
    INIT_LIST_HEAD(&tp->tsq_node);

    icsk->icsk_rto = TCP_TIMEOUT_INIT;
    tp->mdev_us = jiffies_to_usecs(TCP_TIMEOUT_INIT);

...

    icsk->icsk_sync_mss = tcp_sync_mss;

    sk->sk_sndbuf = sysctl_tcp_wmem[1];
    sk->sk_rcvbuf = sysctl_tcp_rmem[1];
...
}

在这里转化sock结构体为tcp_sock和inet_connection_sock.

为tcp_sock 设置sk_buf的缓存队列，设置tcp一次允许超时的时间为1000个时间钟；初始化tcp_sock的out_of_order_queue队列，初始化sk_buff_head scok预缓冲数据包队列

为sock 结构体设置定时器,设置之前计算好的接受和发送缓冲区的大小。

4.2.sock_map_fd 把socket结构体和文件描述符关联起来

文件：/net/socket.c

static int sock_map_fd(struct socket *sock, int flags)
{
    struct file *newfile;
    int fd = get_unused_fd_flags(flags);
    if (unlikely(fd < 0))
        return fd;

    newfile = sock_alloc_file(sock, flags, NULL);
    if (likely(!IS_ERR(newfile))) {
        fd_install(fd, newfile);
        return fd;
    }

    put_unused_fd(fd);
    return PTR_ERR(newfile);
}

核心就是调用了sock_alloc_file方法，为socket结构体创建一个file结构体。

在看socket对应的文件描述符的生成之前，我们需要补充如下的知识点：

    err = register_filesystem(&sock_fs_type);
    if (err)
        goto out_fs;
    sock_mnt = kern_mount(&sock_fs_type);

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

从这两个代码段，可以得知。socket模块在初始化时候会加载一个结构体为file_system_type。这个结构体是用于注册VFS 也就是虚拟文件系统的类型结构体。

这里的含义是，注册并挂载了sockfs虚拟文件系统。而在下面的sock_alloc_file 所创建的socket文件描述符就是创建在这个虚拟文件系统中。

struct file *sock_alloc_file(struct socket *sock, int flags, const char *dname)
{
    struct qstr name = { .name = "" };
    struct path path;
    struct file *file;

    if (dname) {
        name.name = dname;
        name.len = strlen(name.name);
    } else if (sock->sk) {
        name.name = sock->sk->sk_prot_creator->name;
        name.len = strlen(name.name);
    }
    path.dentry = d_alloc_pseudo(sock_mnt->mnt_sb, &name);
...
    path.mnt = mntget(sock_mnt);

    d_instantiate(path.dentry, SOCK_INODE(sock));
    SOCK_INODE(sock)->i_fop = &socket_file_ops;

    file = alloc_file(&path, FMODE_READ | FMODE_WRITE,
          &socket_file_ops);
    if (unlikely(IS_ERR(file))) {
        /* drop dentry, keep inode */
        ihold(path.dentry->d_inode);
        path_put(&path);
        return file;
    }

    sock->file = file;
    file->f_flags = O_RDWR | (flags & O_NONBLOCK);
    file->private_data = sock;
    return file;
}

注意这里面sk->sk_prot_creator是指inet6_create中调用的sk_alloc，在此时就是指tcpv6_prot.

注意在socket内存文件申请时候，使用socket文件系统中，对应mount挂载对象生成对应的内存文件路径。

核心源码如下；

static char *sockfs_dname(struct dentry *dentry, char *buffer, int buflen)
{
    return dynamic_dname(dentry, buffer, buflen, "socket:[%lu]",
                dentry->d_inode->i_ino);
}

文件名为socket:[inode号]。

当生成了socket对应的file内存文件后，就会保存到socket 结构体中。

在Linux内核初始化时候，会初始化Socket内核模块对应的自定义文件系统(file_system_type ) sock_fs_type 结构体。

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

该结构体定义了挂载函数，文件系统名，删除数据时候对超级块的清理操作

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

而这种文件系统实际上设置的就是对超级块的操作。当挂载成功后，又注册了如下的信息：

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

/*
 * sockfs_dname() is called from d_path().
 */
static char *sockfs_dname(struct dentry *dentry, char *buffer, int buflen)
{
    return dynamic_dname(dentry, buffer, buflen, "socket:[%lu]",
                dentry->d_inode->i_ino);
}

static const struct dentry_operations sockfs_dentry_operations = {
    .d_dname  = sockfs_dname,
};

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);
}

此时就定义了文件目录对象操作dentry_operations 这里面决定了目录名为对应socket:[inode]号，并且设置了sockfs_ops 申请inode的操作对象。

小结

到这里就聊完了客户端对应的socket是如何通过socket系统调用初始化的。能看到在创建socket的时候，内核创建的结构体嵌套层级十分多，在这里先中断源码解析流程，进行一次总结。

在Linux内核中，无法直接访问socket所对应的文件描述符，因为对应socket的file_operation 是禁止的。只能通过socket系统调用访问socket对应的socket描述符。

在内核启动初期，会启动socket内核模块，并挂载socket内核模块对应的文件系统。并初始化默认的协议集。

当Java调用了Socket.connect 方法后。一个socket对象才会开始通过SocksSocketImpl创建 socket对象。

而这个方法本质上调用还是socket系统调用。将会创建一个复杂且庞大的结构体。

不过我们需要记住一点，无论怎么变都不可能脱离七层网络协议。socket系统调用是对传输层，网络层，数据链路层,物理层的封装。那么相对的，生成出来的socket结构体也是根据这一层层的设计，进行封装的。

暴露在最外层的是socket结构体,将会根据设置的socket类型，从而找到对应的地址族以及协议类型。

在这个过程中socket结构体存在如下几个核心结构体：

1.sock socket 持有通用的核心操作以及核心字段
2.inet6_stream_ops 则是不同协议下不同的操作行为

因此整个关系如下图：

socket结构体.png

在整个socket通信过程，暴露向外的如上层应用层，或者说是面向开发者来说是socket结构体。对于内核来说就是sock结构体。值得注意的是，这两者之间是互相持有的.sock 通过sk_socket 找到socket；socket通过sk找到sock.

Android socket源码解析(一)socket的初始化原理

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