引言
在Unix的世界里，萬物皆文件，通過虛擬文件系統(tǒng)VFS，程序可以用標準的Unix系統(tǒng)調(diào)用對不同的文件系統(tǒng)，甚至不同介質(zhì)上的文件系統(tǒng)進行讀寫操作。對于網(wǎng)絡(luò)套接字socket也是如此，除了專屬的Berkeley Sockets API，還支持一些標準的文件IO系統(tǒng)調(diào)用如read(v)、write(v)和close等。那么為什么socket也支持文件IO系統(tǒng)調(diào)用呢？在Linux上，這是通過套接口偽文件系統(tǒng)sockfs來實現(xiàn)的，因為sockfs實現(xiàn)了VFS中的4種主要對象：超級塊super block、索引節(jié)點inode、
目錄項對象dentry和文件對象file，當執(zhí)行文件IO系統(tǒng)調(diào)用時，VFS就將請求轉(zhuǎn)發(fā)給sockfs，而sockfs就調(diào)用特定的協(xié)議實現(xiàn)，層次結(jié)構(gòu)如下圖：
本文以linux 2.6.34實現(xiàn)為基礎(chǔ)，本篇闡述初始化和Socket創(chuàng)建兩部分的實現(xiàn)，下篇闡述Socket操作和銷毀兩部分的實現(xiàn)。
初始化
在內(nèi)核引導(dǎo)時初始化網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)，進而調(diào)用sock_init，該函數(shù)主要步驟如下：創(chuàng)建inode緩存，注冊和裝載sockfs，定義在net/socket.c中。
1
static int __init sock_init(void)
2
{
3
4 init_inodecache();
5 register_filesystem(&sock_fs_type);
6 sock_mnt = kern_mount(&sock_fs_type);
7
8
}
創(chuàng)建inode緩存
init_inodecache為socket_alloc對象創(chuàng)建SLAB緩存，名稱為sock_inode_cachep，socket_alloc定義在include/net/sock.h中。
1
struct socket_alloc {
2
struct socket socket;
3 struct inode vfs_inode;
4
};
socket_alloc由socket和inode結(jié)構(gòu)2部分組成，這樣就方便了在套接字與inode對象間雙向定位。
注冊sockfs
調(diào)用VFS的函數(shù)register_filesystem實現(xiàn)注冊，sock_fs_type定義在net/socket.c中。
1static struct file_system_type sock_fs_type = {
2 .name = "sockfs",
3 .get_sb = sockfs_get_sb,
4 .kill_sb = kill_anon_super,
5};
sock_fs_type包含了文件系統(tǒng)sockfs的名稱、創(chuàng)建和銷毀super block的函數(shù)，其中sockfs_get_sb實現(xiàn)在net/socket.c中。
1static int sockfs_get_sb(struct file_system_type *fs_type,int flags, const char *dev_name, void *data,struct vfsmount *mnt)
2{
3 return get_sb_pseudo(fs_type, "socket:", &sockfs_ops, SOCKFS_MAGIC, mnt);
4}
它在kern_mount內(nèi)被執(zhí)行，通過調(diào)用get_sb_pseudo創(chuàng)建了一個super block(包含一個對應(yīng)dentry及一個關(guān)聯(lián)inode)：操作對象為sockfs_ops，根目錄名稱為socket:，對應(yīng)的根索引節(jié)點編號為1。
sockfs_ops定義在net/socket.c中。
1static const struct super_operations sockfs_ops = {
2 .alloc_inode = sock_alloc_inode,
3 .destroy_inode = sock_destroy_inode,
4 .statfs = simple_statfs,
5};
sock_alloc_inode用于分配inode對象，將在socket創(chuàng)建過程中被調(diào)用；sock_destroy_inode用于釋放inode對象，將在socket銷毀過程中被調(diào)用；simple_statfs用于獲取sockfs文件系統(tǒng)的狀態(tài)信息。
裝載sockfs
由kern_mount函數(shù)實現(xiàn)裝載一個偽文件系統(tǒng)（當然，它沒有裝載點），返回一個static vfsmount對象sock_mnt。
經(jīng)過以上步驟后，所創(chuàng)建的VFS對象關(guān)系如下圖：
對于根目錄項，不用進行路徑轉(zhuǎn)換，因此dentry的d_op為空（未畫出）；對于偽文件系統(tǒng)，操作索引對象沒有意義，所以inode的i_op為空（未畫出）。
Socket創(chuàng)建
系統(tǒng)調(diào)用socket、accept和socketpair是用戶空間創(chuàng)建socket的幾種方法，其核心調(diào)用鏈如下圖：
從上圖可知共同的核心就3個過程：先構(gòu)造inode，再構(gòu)造對應(yīng)的file，最后安裝file到當前進程中（即關(guān)聯(lián)映射到一個未用的文件描述符）,下面就這3個過程進行詳細說明。
構(gòu)造inode
由sock_alloc函數(shù)實現(xiàn)，定義在net/socket.c中。
1static struct socket *sock_alloc(void)
2{
3 struct inode *inode;
4 struct socket *sock;
5
6 inode = new_inode(sock_mnt->mnt_sb);
7
8 sock = SOCKET_I(inode);
9
10 inode->i_mode = S_IFSOCK | S_IRWXUGO;
11 inode->i_uid = current_fsuid();
12 inode->i_gid = current_fsgid();
13
14 return sock;
15}
先調(diào)用new_inode創(chuàng)建inode對象，再設(shè)置它的類型為S_IFSOCK，由此可知inode對應(yīng)的文件類型為套接字。new_inode是文件系統(tǒng)的一個接口函數(shù)，用于創(chuàng)建一個inode對象，定義在fs/inode.c中，它調(diào)用了sockfs超級塊的操作對象即sockfs_ops的sock_alloc_inode方法，由于sock_alloc_inode實際創(chuàng)建的是socket_alloc復(fù)合對象，因此要使用SOCKET_I宏從inode中取出關(guān)聯(lián)的socket對象用于返回。
構(gòu)造file
有了inode對象后，接下來就要構(gòu)造對應(yīng)的file對象了，由sock_alloc_file實現(xiàn)，定義在net/socket.c中。
1static int sock_alloc_file(struct socket *sock, struct file **f, int flags)
2{
3
struct qstr name = { .name = "" };
4 struct path path;
5 struct file *file;
6 int fd;
7
8 fd = get_unused_fd_flags(flags);
9
10 path.dentry = d_alloc(sock_mnt->mnt_sb->s_root, &name);
11
12 path.mnt = mntget(sock_mnt);
13
14 path.dentry->d_op = &sockfs_dentry_operations;
15 d_instantiate(path.dentry, SOCK_INODE(sock));
16 SOCK_INODE(sock)->i_fop = &socket_file_ops;
17
18 file = alloc_file(&path, FMODE_READ | FMODE_WRITE, &socket_file_ops);
19
20 sock->file = file;
21 file->f_flags = O_RDWR | (flags & O_NONBLOCK);
22 file->f_pos = 0;
23 file->private_data = sock;
24
25 *f = file;
26 return fd;
27}
sock為
上一過程返回的套接字對象，該函數(shù)主要做了以下幾件事：
1）得到空閑的文件描述符fd，實際上就是fd數(shù)組的索引，準備作為返回值。
2）先初始化路徑path：其目錄項的父目錄項為超級塊對應(yīng)的根目錄，名稱為空，操作對象為sockfs_dentry_operations，對應(yīng)的索引節(jié)點對象為sock套接字關(guān)聯(lián)的索引節(jié)點對象，即SOCK_INODE(sock)；裝載點為sock_mnt。
sockfs_dentry_operations定義在net/socket.c中。
1static const struct dentry_operations sockfs_dentry_operations = {
2 .d_dname = sockfs_dname,
3};
sockfs_dname會被d_path調(diào)用，用于計算socket對象的目錄項名稱。
3）設(shè)置索引節(jié)點的文件操作對象為socket_file_ops，定義在net/socket.c中。
1static const struct file_operations socket_file_ops = {
2
3 .aio_read = sock_aio_read,
4 .aio_write = sock_aio_write,
5
6
.open = sock_no_open, /**//* special open code to disallow open via /proc */
7 .release = sock_close,
8
9};
4）調(diào)用alloc_file，以path和socket_file_ops為輸入?yún)?shù)，這樣返回得到的file便與sock的inode關(guān)聯(lián)上了，并且操作對象為socket_file_ops，最后設(shè)置到輸出參數(shù)f中。
5）建立file與socket的一一映射關(guān)系。
安裝file
由fd_install實現(xiàn)，定義在fs/open.c中。
1
void fd_install(unsigned int fd, struct file *file)
2{
3 struct files_struct *files = current->files;
4 struct fdtable *fdt;
5 spin_lock(&files->file_lock);
6 fdt = files_fdtable(files);
7 BUG_ON(fdt->fd[fd] != NULL);
8 rcu_assign_pointer(fdt->fd[fd], file);
9 spin_unlock(&files->file_lock);
10}
fd和file分別為上一過程返回的空閑文件描述符和文件對象，使RCU技術(shù)來設(shè)置file到當前進程的fd數(shù)組中。
經(jīng)過以上過程后，所創(chuàng)建的VFS對象關(guān)系圖如下
fd為file*數(shù)組的索引而不是成員字段；vfsmount與
初始化之VFS對象關(guān)系圖中的vfsmount是同一個對象，即sock_mnt；對于偽文件系統(tǒng)，操作索引對象沒有意義，所以inode的i_op為空（未畫出）。
posted on 2015-05-03 16:31
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