Linux套接字与虚拟文件系统（1）：初始化和创建

http://www.cppblog.com/qinqing1984/archive/2015/05/03/210521.html

引言
   在Unix的世界里，万物皆文件，通过虚拟文件系统VFS，程序可以用标准的Unix系统调用对不同的文件系统，甚至不同介质上的文件系统进行读写操作。对于网络套接字socket也是如此，除了专属的Berkeley Sockets API，还支持一些标准的文件IO系统调用如read(v)、write(v)和close等。那么为什么socket也支持文件IO系统调用呢？在Linux上，这是通过套接口伪文件系统sockfs来实现的，因为sockfs实现了VFS中的4种主要对象：超级块super block、索引节点inode、目录项对象dentry和文件对象file，当执行文件IO系统调用时，VFS就将请求转发给sockfs，而sockfs就调用特定的协议实现，层次结构如下图：

   本文以linux 2.6.34实现为基础，本篇阐述初始化和Socket创建两部分的实现，下篇阐述Socket操作和销毁两部分的实现。

初始化

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   在内核引导时初始化网络子系统，进而调用sock_init，该函数主要步骤如下：创建inode缓存，注册和装载sockfs，定义在net/socket.c中。

1static 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}

   
   创建inode缓存
   init_inodecache为socket_alloc对象创建SLAB缓存，名称为sock_inode_cachep，socket_alloc定义在include/net/sock.h中。

1struct socket_alloc {
2    struct socket socket;
3    struct inode vfs_inode;
4};

   socket_alloc由socket和inode结构2部分组成，这样就方便了在套接字与inode对象间双向定位。

   注册sockfs
   调用VFS的函数register_filesystem实现注册，sock_fs_type定义在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包含了文件系统sockfs的名称、创建和销毁super block的函数，其中sockfs_get_sb实现在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内被执行，通过调用get_sb_pseudo创建了一个super block(包含一个对应dentry及一个关联inode)：操作对象为sockfs_ops，根目录名称为socket:，对应的根索引节点编号为1。
   sockfs_ops定义在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对象，将在socket创建过程中被调用；sock_destroy_inode用于释放inode对象，将在socket销毁过程中被调用；simple_statfs用于获取sockfs文件系统的状态信息。
   
   装载sockfs
   由kern_mount函数实现装载一个伪文件系统（当然，它没有装载点），返回一个static vfsmount对象sock_mnt。

   经过以上步骤后，所创建的VFS对象关系如下图：

    对于根目录项，不用进行路径转换，因此dentry的d_op为空（未画出）；对于伪文件系统，操作索引对象没有意义，所以inode的i_op为空（未画出）。

Socket创建

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   系统调用socket、accept和socketpair是用户空间创建socket的几种方法，其核心调用链如下图：

   从上图可知共同的核心就3个过程：先构造inode，再构造对应的file，最后安装file到当前进程中（即关联映射到一个未用的文件描述符）,下面就这3个过程进行详细说明。

   构造inode
   由sock_alloc函数实现，定义在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}

   先调用new_inode创建inode对象，再设置它的类型为S_IFSOCK，由此可知inode对应的文件类型为套接字。new_inode是文件系统的一个接口函数，用于创建一个inode对象，定义在fs/inode.c中，它调用了sockfs超级块的操作对象即sockfs_ops的sock_alloc_inode方法，由于sock_alloc_inode实际创建的是socket_alloc复合对象，因此要使用SOCKET_I宏从inode中取出关联的socket对象用于返回。

   构造file
   有了inode对象后，接下来就要构造对应的file对象了，由sock_alloc_file实现，定义在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为上一过程返回的套接字对象，该函数主要做了以下几件事：
   1）得到空闲的文件描述符fd，实际上就是fd数组的索引，准备作为返回值。
   2）先初始化路径path：其目录项的父目录项为超级块对应的根目录，名称为空，操作对象为sockfs_dentry_operations，对应的索引节点对象为sock套接字关联的索引节点对象，即SOCK_INODE(sock)；装载点为sock_mnt。  
   sockfs_dentry_operations定义在net/socket.c中。 

1static const struct dentry_operations sockfs_dentry_operations = {
2    .d_dname  = sockfs_dname,
3};

   sockfs_dname会被d_path调用，用于计算socket对象的目录项名称。
   3）设置索引节点的文件操作对象为socket_file_ops，定义在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）调用alloc_file，以path和socket_file_ops为输入参数，这样返回得到的file便与sock的inode关联上了，并且操作对象为socket_file_ops，最后设置到输出参数f中。
   5）建立file与socket的一一映射关系。
   
   安装file
   由fd_install实现，定义在fs/open.c中。

 1void 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分别为上一过程返回的空闲文件描述符和文件对象，使RCU技术来设置file到当前进程的fd数组中。
 
   经过以上过程后，所创建的VFS对象关系图如下

   fd为file*数组的索引而不是成员字段；vfsmount与初始化之VFS对象关系图中的vfsmount是同一个对象，即sock_mnt；对于伪文件系统，操作索引对象没有意义，所以inode的i_op为空（未画出）。