1、引言
我相信大家剛開始學(xué)網(wǎng)絡(luò)編程中socket的時候，都跟我一樣對書上所講的socket概念云里霧里的、似懂非懂，很是困擾。
這篇文章我打算從初學(xué)者的角度，用通俗易懂的文字，跟大家分享下我所理解的socket是什么，并由淺入深從操作系統(tǒng)內(nèi)核實現(xiàn)來透視socket的原理。
* 推薦閱讀：跟本篇類似，《到底什么是Socket？一文即懂！》一文也非常適合初學(xué)者。另一篇《我們在讀寫Socket時，究竟在讀寫什么？》，相信可進一步為你解惑。
學(xué)習(xí)交流：
（本文已同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-4146-1-1.html）
2、系列文章
本文是系列文章中的第 15 篇，本系列文章的大綱如下：
3、初識socket
故事要從一個插頭說起。
▲ 插頭與插座
當(dāng)我將插頭插入插座，那看起來就像是將兩者連起來了。
▲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)編程時也會用到一個叫socket的東西。
其實兩者非常相似。通過socket，我們可以與某臺機子建立"連接"，建立"連接"的過程，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socket其實還是很模糊。接下來我們從大家最熟悉的使用場景開始說起。
4、socket的典型使用場景
我們想要將數(shù)據(jù)從A電腦的某個進程發(fā)到B電腦的某個進程。
這時候我們需要選擇將數(shù)據(jù)發(fā)過去的方式，如果需要確保數(shù)據(jù)要能發(fā)給對方，那就選可靠的TCP協(xié)議（見《快速理解TCP協(xié)議一篇就夠》），如果數(shù)據(jù)丟了也沒關(guān)系，看天意，那就選擇不可靠的UDP協(xié)議（見《一泡尿的時間，快速搞懂TCP和UDP的區(qū)別》）。
初學(xué)者毫無疑問，首選TCP。（見《快速理解TCP和UDP的差異》）
▲TCP是什么
那這時候就需要用socket進行編程。
于是第一步就是創(chuàng)建個關(guān)于TCP的socket，就像下面這樣：
1sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
上面這個方法會返回socket_fd，它是socket文件的句柄，是個數(shù)字，相當(dāng)于socket的身份證號。
得到了socket_fd之后，對于服務(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求。
對于客戶端，得到socket_fd之后，你就可以執(zhí)行connect()方法向服務(wù)端發(fā)起建立連接的請求，此時就會發(fā)生TCP三次握手（如下圖所示）。
▲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，反過來，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景。
PS：限于篇幅，本篇不展開TCP協(xié)議的3次握手原理，有興趣可以詳讀：《理論經(jīng)典：TCP協(xié)議的3次握手與4次揮手過程詳解》、《跟著動畫來學(xué)TCP三次握手和四次揮手》。
5、socket該怎么設(shè)計？
5.1基本認知
現(xiàn)在，socket我們見過，也用過，但對大部分程序員來說，它是個黑盒。
那既然是黑盒，我們索性假設(shè)我們忘了socket。重新設(shè)計一個內(nèi)核網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。
網(wǎng)絡(luò)傳輸，從操作上來看，無非就是發(fā)數(shù)據(jù)和遠端之間互相收發(fā)數(shù)據(jù)（也就是對應(yīng)著寫數(shù)據(jù)和讀數(shù)據(jù)）。
▲ 讀寫收發(fā)
但顯然，事情沒那么簡單。
這里有兩個問題：
- 1）接收端和發(fā)送端可能不止一個，因此我們需要一些信息做下區(qū)分，這個大家肯定很熟悉，可以用IP和端口。IP用來定位是哪臺電腦，端口用來定位是這臺電腦上的哪個進程；
- 2）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。
5.2sock的基本定義
寫過代碼的都知道，為了支持這些功能，我們需要定義一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)去支持這些功能。這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，叫sock。
為了解決上面的第一個問題，我們可以在sock里加入IP和端口字段：
▲ sock加入IP和端口字段
而第二個問題：我們會發(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)成是不同的對象類（或結(jié)構(gòu)體），將公共的部分提取出來，通過"繼承"的方式，復(fù)用功能。
5.3基于各種sock實現(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)，維護一些任何協(xié)議都有可能會用到的收發(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。說到這里大家就懵了，難道還有不是用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)模坑?，比如Unix domain socket，用于本機進程之間的通信，直接讀寫文件，不需要經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。這是個非常有用的東西，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)計上linux需要支持擴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特有的滑動窗口、擁塞避免等功能。同樣udp協(xié)議也會有一個專用的數(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)卡對接一下，就實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓δ堋?/p>
5.4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個簡單的接口。以后別人只需要調(diào)用這些接口，就可以驅(qū)動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)。
那么問題來了，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？
既然跟遠端服務(wù)端進程收發(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的同時也創(chuàng)建一個文件，文件有個句柄fd，說白了就是個文件系統(tǒng)里的身份證號碼，通過它可以唯一確定是哪個sock。
這個文件句柄fd其實就是 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sock句柄。在用戶空間里操作這個句柄，文件系統(tǒng)就會將操作指向內(nèi)核sock結(jié)構(gòu)。
是的，操作這個特殊的文件就相當(dāng)于操作內(nèi)核里對應(yīng)的sock：
▲ 通過文件找到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)計完成了。
現(xiàn)在是不是眼熟了，上面這些接口方法其實就是socket提供出來的接口。
所以說：socket其實就是個代碼庫 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的接口，讓我們?nèi)ナ褂脙?nèi)核網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。
▲ 基于sock實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能
到這里，我們應(yīng)該明白了。我們平時寫的應(yīng)用程序里代碼里雖然用了socket實現(xiàn)了收發(fā)數(shù)據(jù)包的功能，但其實真正執(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)，雖然這么說不太嚴謹，但看上去linux就像是被分成了應(yīng)用程序和內(nèi)核兩個服務(wù)。內(nèi)核就像是后端，暴露了好多個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，負責(zé)調(diào)用內(nèi)核提供的接口來實現(xiàn)想要的功能。
▲ 進程通過socket調(diào)用內(nèi)核功能
看到這里，我擔(dān)心大家會有點混亂，下面來做個小的總結(jié)。
5.5小結(jié)一下
在操作系統(tǒng)內(nèi)核空間里，實現(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)用場景，會被泛化為各種類型的xx_sock，它們結(jié)合硬件，共同實現(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，同時將sock嵌入到文件系統(tǒng)的框架里，sock就變成了一個特殊的文件，用戶就可以在用戶空間使用文件句柄，也就是socket_fd來操作內(nèi)核sock的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。
這個socket_fd是一個int類型的數(shù)字。
現(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，是不是就覺得特別合理了。
▲網(wǎng)絡(luò)分層與基于sock實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能
6、socket如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信
6.1概述
上面關(guān)于怎么實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能這一塊一筆帶過了。本節(jié)我們就來詳細聊聊。
這套sock的結(jié)構(gòu)其實非常復(fù)雜。我們以最常用的TCP協(xié)議為例，簡單了解下它是怎么實現(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。
6.2建立連接
對于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，會通過sockfd句柄找到對應(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)。
通過這個sock結(jié)構(gòu)主動發(fā)起三次握手：
▲ TCP三次握手
在服務(wù)端握手次數(shù)還沒達到"三次"的連接，叫半連接，完成好三次握手的連接，叫全連接。它們分別會用半連接隊列和全連接隊列來存放，這兩個隊列會在你執(zhí)行l(wèi)isten()方法的時候創(chuàng)建好。
當(dāng)服務(wù)端執(zhí)行accept()方法時，就會從全連接隊列里拿出一條全連接：
▲半連接隊列和全連接隊列
至此，連接就算準(zhǔn)備好了，之后，就可以開始傳輸數(shù)據(jù)。
6.3數(shù)據(jù)傳輸
為了實現(xiàn)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的功能，sock結(jié)構(gòu)體里帶了一個發(fā)送緩沖區(qū)和一個接收緩沖區(qū)，說是緩沖區(qū)，但其實就是個鏈表，上面掛著一個個準(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，同樣也會通過sock_fd句柄找到對應(yīng)的文件，根據(jù)文件指向的sock結(jié)構(gòu)，找到這個sock結(jié)構(gòu)里帶的發(fā)送緩沖區(qū)，將數(shù)據(jù)會放到發(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)用程序什么時候執(zhí)行recv()方法來拿一下。就像我的文章，躺在你的推文列表里，卑微的等一個點贊關(guān)注轉(zhuǎn)發(fā)三連。懂？
▲ sock的發(fā)送和接收緩沖區(qū)
PS：IP和端口其實不在sock下，而在inet_sock下，上面這么畫只是為了簡化。
那么問題來了，發(fā)送數(shù)據(jù)是應(yīng)用程序主動發(fā)起，這個大家都沒問題。那接收數(shù)據(jù)呢？數(shù)據(jù)從遠端發(fā)過來了，怎么通知并給到應(yīng)用程序呢？
這就需要用到等待隊列：
▲ sock內(nèi)的等待隊列
當(dāng)你的應(yīng)用進程執(zhí)行recv()方法嘗試獲?。ㄗ枞麍鼍跋拢┙邮站彌_區(qū)的數(shù)據(jù)時：
- 1) 如果有數(shù)據(jù)，那正好，取走就好了。這點沒啥疑問；
- 2) 但如果沒數(shù)據(jù)，就會將自己的進程信息注冊到這個sock用的等待隊列里，然后進程休眠。如果這時候有數(shù)據(jù)從遠端發(fā)過來了，數(shù)據(jù)進入到接收緩沖區(qū)時，內(nèi)核就會取出sock的等待隊列里的進程，喚醒進程來取據(jù)。
▲ recv時無數(shù)據(jù)進程進入等待隊列
有時候，你會看到多個進程通過fork的方式，listen了同一個socket_fd。在內(nèi)核，它們都是同一個sock，多個進程執(zhí)行l(wèi)isten()之后，都嗷嗷等待連接進來，所以都會將自身的進程信息注冊到這個socket_fd對應(yīng)的內(nèi)核sock的等待隊列中。
如果這時真來了一個連接，是該喚醒等待隊列里的哪個進程來接收連接呢？
這個問題的答案比較有趣：
- 1) 在linux 2.6以前，會喚醒等待隊列里的所有進程。但最后其實只有一個進程會處理這個連接請求，其他進程又重新進入休眠，這些被喚醒了又無事可做最后只能重新回去休眠的進程會消耗一定的資源。就好像你在廣東的街頭，想問路，叫一聲靚仔，幾十個人同時回頭，但你其實只需要其中一個靚仔告訴你路該怎么走。你這種一不小心驚動這群靚仔的場景，在計算機領(lǐng)域中，就叫驚群效應(yīng)；
- 2) 在linux 2.6之后，只會喚醒等待隊列里的其中一個進程。是的，socket監(jiān)聽的驚群效應(yīng)問題被修復(fù)了。
▲ 驚群效應(yīng)
看到這里，問題又來了。
服務(wù)端 listen 的時候，那么多數(shù)據(jù)到一個 socket 怎么區(qū)分多個客戶端的？
以TCP為例，服務(wù)端執(zhí)行l(wèi)isten方法后，會等待客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)來。客戶端發(fā)來的數(shù)據(jù)包上會有源IP地址和端口，以及目的IP地址和端口，這四個元素構(gòu)成一個四元組，可以用于唯一標(biāo)記一個客戶端。
PS：其實說四元組并不嚴謹，因為過程中還有很多其他信息，也可以說是五元組。。。但大概理解就好，就這樣吧。
▲ 四元組
服務(wù)端會創(chuàng)建一個新的內(nèi)核sock，并用四元組生成一個hash key，將它放入到一個hash表中。
▲ 四元組映射成hash鍵
下次再有消息進來的時候，通過消息自帶的四元組生成hash key再到這個hash表里重新取出對應(yīng)的sock就好了。所以說服務(wù)端是通過四元組來區(qū)分多個客戶端的。
▲ 多個hash_key對應(yīng)多個客戶端
7、sock怎么實現(xiàn)"繼承"？
大家都知道linux內(nèi)核是C語言實現(xiàn)的，而C語言沒有類也沒有繼承的特性，是怎么做到"繼承"的效果的呢？
在C語言里，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_sock has to be the first member of tcp_sock */
structinet_connection_sock inet_conn;
// 其他字段
}
structinet_connection_sock {
/* inet_sock has to be the first member! */
structinet_sock icsk_inet;
// 其他字段
}
然后我們就可以通過結(jié)構(gòu)體名的長度來強行截取內(nèi)存，這樣就能轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)體，從而實現(xiàn)類似"繼承"的效果。
如下代碼所示：
// sock 轉(zhuǎn)為 tcp_sock
staticinlinestructtcp_sock *tcp_sk(conststructsock *sk)
{
return(structtcp_sock *)sk;
}
▲ 內(nèi)存布局
8、本文小結(jié)
寫到這里，文章就算是結(jié)束了，我們來總結(jié)一下。
1）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，歡迎評論。
2）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。
3）在操作系統(tǒng)內(nèi)核空間里，實現(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)用場景，會被泛化為各種類型的xx_sock，它們結(jié)合硬件，共同實現(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，同時將sock嵌入到文件系統(tǒng)的框架里，sock就變成了一個特殊的文件，用戶就可以在用戶空間使用文件句柄，也就是socket_fd來操作內(nèi)核sock的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力。
4）服務(wù)端可以通過四元組來區(qū)分多個客戶端。
5）內(nèi)核通過c語言"結(jié)構(gòu)體里的內(nèi)存是連續(xù)的"這一特點實現(xiàn)了類似繼承的效果。
推薦閱讀：跟本篇類似，《到底什么是Socket？一文即懂！》一文也非常適合初學(xué)者。另一篇《我們在讀寫Socket時，究竟在讀寫什么？》，相信可進一步為你解惑。
9、參考資料
[1] 到底什么是Socket？一文即懂！
[2] 我們在讀寫Socket時，究竟在讀寫什么？
[3] 通俗易懂-深入理解TCP協(xié)議（上）：理論基礎(chǔ)
[4] 快速理解TCP協(xié)議一篇就夠
[5] 假如你來設(shè)計TCP協(xié)議，會怎么做？
[6] 一泡尿的時間，快速搞懂TCP和UDP的區(qū)別
[7] 快速理解TCP和UDP的差異
[8] 理論經(jīng)典：TCP協(xié)議的3次握手與4次揮手過程詳解
[9] 跟著動畫來學(xué)TCP三次握手和四次揮手
[10] 手把手教你寫基于TCP的Socket長連接
[11] 為什么QQ用的是UDP協(xié)議而不是TCP協(xié)議？
[12] 移動端即時通訊協(xié)議選擇：UDP還是TCP？
（本文已同步發(fā)布于：http://www.52im.net/thread-4146-1-1.html）