Socket是如何创建的？

发表于 2022-09-16 更新于 2024-06-01 分类于面试阅读次数：本文字数： 4.9k 阅读时长 ≈ 4 分钟

Socket是如何创建的？

你好，我是猿java。

说起网络通信，就不得不提到 Socket，不管使用的是Java语言，还是C/C++，Go，PHP，只要你跟网络打交道，基本上离不开Socket。那么 Socket到底是什么？它又是如何被创建的？这篇文章，我们就来讲清楚。

申明：本文基于 Linux内核

在正式分析 Socket之前，我们先铺垫下 Linux操作系统下的内核态和用户态，方便下文更好理解 Socket。

Linux 用户态和内核态

Linux设计的初衷是不同的操作给与不同的“权限”，因此将权限分为 2个等级：内核态（内核空间）和用户态（用户空间）。

用户态：提供应用程序运行的空间，一般我们编写的业务代码就是运行在空间。
内核态：提供给操作系统内核使用，比如：cpu可以访问内存、外围设备等。

为什么要划分用户态和内核态？

简单来说：

禁止用户程序和底层硬件平台直接交互。
禁止用户程序直接访问任意内存地址空间。

用户态和内核态主要可以通过 3种方式来进行转换：

系统调用：调用系统的库函数或者shell调用；
异常：如果当前进程运行在用户态，如果这个时候发生了异常事件，就会触发切换。例如：缺页异常。
外设中断：当外设完成用户的请求时，会向CPU发送中断信号。

接下来我们开始分析 Socket以及创建过程

什么是 Socket

Socket：中文翻译有很多，所有的翻译整理如下：

n. （电源）插座；（电器）插口，插孔；（人体的）窝，槽；（高尔夫插球杆的）棒头承口；（用以插入某物使其转动的）承窝，轴孔
v. 插入，使装入插座

在技术界，很多地方把 Socket翻译成”套接字“，或许这个中文名词可以很生动形象的传达 Socket所要表达的意思，但是我查阅了很多资料，一直没有找到为什么翻译成”套接字“的有力文档说明，所以个人还是喜欢直接用英文 Socket来表达，不过这个不影响整体对 Socket的理解。

在 Linux操作系统中，替代传输层以上协议实体的标准接口，称为Socket，它负责实现传输层以上所有的功能，可以说 Socket 是 TCP/IP 协议栈对外的窗口。

Socket的数据结构

在 Linux内核中，Socket的数据结构由 struct socket 与 struct sock 2部分组成。

struct socket

每个 Socket在内核中都唯一对应一个 struct socket结构，其结构如下：

struct socket {
  socket_state            state;  // socket的状态
  unsigned long           flags;  // socket的设置标志。存放socket等待缓冲区的状态信息，其值的形式如SOCK_ASYNC_NOSPACE等
  struct fasync_struct    *fasync_list;  // 等待被唤醒的socket列表，该链表用于异步文件调用
  struct file             *file;  // socket所属的文件描述符
  struct sock             *sk;  // 指向存放socket属性的结构指针
  wait_queue_head_t       wait;  // socket的等待队列
  short                   type;  // socket的类型。其取值为SOCK_XXXX形式
  const struct proto_ops *ops;  // socket层的操作函数块
}

struct sock

struct sock是 Socket在网络中的最小描述，它包含了内核管理 Socket最重要的信息集合，其结构如下：

struct sock_common {
  unsigned short          skc_family;         // 地址族
  volatile unsigned char  skc_state;          // 连接状态
  unsigned char           skc_reuse;          // SO_REUSEADDR设置
  int                     skc_bound_dev_if;
  struct hlist_node       skc_node;
  struct hlist_node       skc_bind_node;      // 哈希表相关
  atomic_t                skc_refcnt;         // 引用计数
};

Socket 存在方式

在 Linux中 Socket存在的方式是：文件。

当 Socket连接建立后，用户进程就可以使用常规文件操作访问 Socket，每个 Socket都分配了一个 VFS inode，inode 结构如下：

1
2
3

struct inode{
    struct file_operation *i_fop // 指向默认文件操作函数块
}

如何创建 Socket

上文我们讲解了 Socket的定义以及数据结构，接下来就要分析基于 TCP协议的 Socket是如何创建的，一般来说，创建 Socket需要经过下面 6个步骤：

创建套接字；
将套接字与地址绑定，设置套接字选项；
建立套接字之间的连接；
监听套接字；
接收、发送数据；
关闭、释放套接字；

因为 Socket是双通道的，所以我们从服务端和客户端两个部分来说明 Socket的创建过程。

服务端创建 Socket

调用 socket()函数，创建一个 socket，该 Socket成为主动Socket（Active Socket）；
调用 bind()函数，给第 1步的主动Socket绑定一个 ip和 port；
调用 listen()函数，将主动Socket转成监听Socket，开始监听客户端的连接请求；
调用 accept()函数，从已完成连接的队列中拿出一个连接进行处理，如果还没有完成，就要阻塞等待有连接完成；
若服务端accept()函数获取到了一个已连接Socket(Connected Socket)，则服务端可以往已连接Socket 读数据或者写数据；

说明：在 Linux内核中，会为每个 Socket维护两个队列：一个是已经建立了连接的队列（三次握手已经完毕），处于 established状态；一个是还没有完全建立连接的（未完成三次握手），处于 syn_rcvd的状态。

客户端创建 Socket

调用 socket()函数，创建一个 socket，该 Socket成为主动Socket（Active Socket）；
当服务端调用 accept()时，客户端可以调用 connect()向服务器发起连接请求，内核会给客户端分配一个临时的端口，一旦握手成功，服务端的 accept()就会返回另一个 Socket；
客户端可以向已连接Socket读数据或者写数据；

Socket整个创建过程可以描述成如下图：

主动socket&被动socket&已连接socket&监听socket

主动socket（Active Socket）：通过系统库函数 socket()生成的就是主动socket，主要是用于客户端主动向服务器发送连接；
被动socket（Passive Socket）：通过调用系统库函数 listen()，可以将主动socket标记为被动socket，用于被动监听客户端的请求连接，也叫监听socket。被动socket是服务端独有的，将伴随服务端的整个生命周期。
监听socket（Listened Socket）：同被动socket（Passive Socket）一样。
已连接socket（Connected Socket）：通过系统库函数 accept()获取的已建立连接的socket，该 socket是用于客户端和服务端数据读写的通道，已连接socket是服务器独有的，生命周期为客户端和服务端的维持的连接时长，当断开连接，生命周期结束。

讲述了 socket这么多的理论知识，最后我们看下 Socket在应用层语言是怎么使用的，这里以 java为例。

服务端源码

// java.net.ServerSocket
public ServerSocket() throws IOException{}

public ServerSocket(int port) throws IOException{}

public ServerSocket(int port, int backlog) throws IOException {}

public ServerSocket(int port, int backlog, InetAddress bindAddr) throws IOException {}

public void bind(SocketAddress endpoint, int backlog) throws IOException {
    getImpl().bind(epoint.getAddress(), epoint.getPort());
    getImpl().listen(backlog);
}

// java.net.PlainSocketImpl
native void socketBind(InetAddress address, int port) throws IOException;

native void socketListen(int count) throws IOException;

java源码 ServerSocket类中封装了多个构造器，源码调试可以看下，构造器最终都指向 bind(SocketAddress endpoint, int backlog)方法，该方法里面包含重要两个步骤 bind()和 listen()，俩方法又指向 PlainSocketImpl类中的的 native socketBind()和 native socketListen()，native方法其实最终操作系统的 bind()和 listen()函数对应。

所以通过上面的java源码可以看出，java的 ServerSocket类只是对操作系统的函数做了一层简单的包装，下面我们再看看 java对客户端的代码实现：

// java.net.Socket
public Socket(){}

public Socket(Proxy proxy){}

public Socket(String host, int port) throws UnknownHostException, IOException{}

public Socket(InetAddress address, int port) throws IOException {}

public Socket(String host, int port, InetAddress localAddr, int localPort) throws IOException {}

public void connect(SocketAddress endpoint) throws IOException {
    connect(endpoint, 0);
}

// java.net.PlainSocketImpl
native void socketConnect(InetAddress address, int port, int timeout) throws IOException;