深入理解 Linux socket

socket fd 长什么样子？

什么是 socket fd ？粗糙的来讲，就是网络 fd，比如我们最常见的 C/S 客户端服务端的编程模式，就是网络通信的一种方式。撇开底层和协议细节，网络通信和文件读写从接口上有本质区别吗？

其实没啥区别，不就是读过来和写过去嘛，简称 IO 。

我们先看一下 socket fd 是什么样子的？随便找了个进程

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]
这里我们看到 fd 7、8 都是一个 socket fd，名字：socket:[18892]

整数句柄后面一般会跟一些信息，用于帮助我们了解这个 fd 是什么。举个例子，如果是文件 fd，那么箭头后面一般是路径名称。现在拆解一下这个名字：

• socket ：标识这是一个 socket 类型的 fd
• [18892]  ：这个是一个 inode 号，能够唯一标识本机的一条网络连接；

思考下，这个 inode 号，还能再哪里能看到呢？

在 proc 的 net 目录下，因为我这个是一个走 tcp 的服务端，所以我们看一下  /proc/net/tcp 文件。这个文件里面能看到所有的 tcp 连接的信息。

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    
知识点又来了，/proc/net/tcp 这个文件记录了 tcp 连接的信息，这份信息是非常有用的。包含了 TCP 连接的地址（16进制显示），inode 的信息，连接的状态等等。

socket fd 是什么？

环境声明：

Linux 内核版本 4.19 

为了方便，如果没特意说明协议，默认 TCP 协议；

socket 可能你还没反应过来，中文名：套接字 是不是更熟悉点。Linux 网络编程甚至可以叫做套接字编程。

有些概念你必须捋一捋 。我们思考几个小问题：

socket 跟 tcp/ip 有什么区别？

就不该把这两个东西放在一起比较讨论，就不是一个东西。tcp/ip 是网络协议栈，socket 是操作系统为了方便网络编程而设计出来的编程接口而已。

理论基础是各种网络协议，协议栈呀，啥的。但是如果你要进行网络编程，落到实处，对程序猿来讲就是 socket 编程。

对于网络的操作，由 socket 体现为 open -> read/write ->close 这样的编程模式，这个统一到文件的一种形式。

socket 的 open 就是 socket(int domain, int type, int protocol) ，和文件一样，都是获取一个句柄。

网络抽象层次

网络模型一般会对应到两种：

• 完美理论的 OSI 七层模型；
• 现实应用的 5 层模型；

对应关系如下图（取自 Unix 套接字编程）

不同层次做不同的事情，不断的封装，不断的站在巨人的肩膀上，你将能做的更多。

今天，奇伢剖析的只聚焦在套接字这一层，这是程序猿摸得到的一层，位于所有网络协议之上的一层封装，网络编程又叫套接字编程，这并不是空穴来风。

套接字，是内核对贼复杂的网络协议栈的 API 封装，使得程序猿能够用极简的姿势进行网络编程。比如写一个基于 Tcp 的 C/S 的网络程序，需要用到啥？我们大概畅想下：

1. 客户端和服务端都用 socket 调用创建套接字；
2. 服务端用 bind 绑定监听地址，用 listen 把套接字转化为监听套接字，用 accept 捞取一个客户端来的连接；
3. 客户端用 connect 进行建连，用 write/read 进行网络 IO；

程序猿用着好简单！因为内核把事扛了。

socket fd 的类型

上面我们提到了套接字，这是我们网络编程的主体，套接字由 socket() 系统调用创建，但你可知套接字其实可分为两种类型，监听套接字和普通套接字。而监听套接字是由 listen() 把 socket fd 转化而成。

 1   监听套接字

对于监听套接字，不走数据流，只管理连接的建立。accept 将从全连接队列获取一个创建好的 socket（ 3 次握手完成），对于监听套接字的可读事件就是全连接队列非空。对于监听套接字，我们只在乎可读事件。

 2   普通套接字

普通套接字就是走数据流的，也就是网络 IO，针对普通套接字我们关注可读可写事件。在说 socket 的可读可写事件之前，我们先捋顺套接字的读写大概是什么样子吧。

套接字层是内核提供给程序员用来网络编程的，程序猿读写都是针对套接字而言，那么 write( socketfd, /* 参数 */) 和 read( socketfd, /* 参数 */) 都会发生什么呢？

• write 数据到 socketfd，大部分情况下，数据写到 socket 的内存 buffer，就结束了，并没有发送到对端网络（异步发送）；
• read socketfd 的数据，也只是从 socket 的 内存 buffer 里读数据而已，而不是从网卡读（虽然数据是从网卡一层层递上来的）；

也就是说，程序猿而言，是跟 socket 打交道，内核屏蔽了底层的细节。

那说回来 socket 的可读可写事件就很容易理解了。

• socketfd 可读：其实就是 socket buffer 内有数据（超过阈值 SO_RCLOWAT ）；
• socketfd 可写：就是 socket buffer 还有空间让你写（阈值 SO_SNDLOWAT ）；

sockfs 文件系统

socket fd 为什么能具备“文件”的语义，从而和 eventfd，ext2 fd 这样的句柄一样，统一提供对外 io 的样子？

核心就是：sockfs ，这也是个文件系统，只不过普通用户看不见，这是只由内核管理的文件系统，位于 vfs 之下，为了封装 socket 对上的文件语义。

// net/socket.c
static int __init sock_init(void)
{
    // 注册 sockfs 文件系统
    err = register_filesystem(