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
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。
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static int __init sock_init(void)
2![](/Images/OutliningIndicators/ExpandedBlockStart.gif)
![](/Images/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
{
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![](http://www.cppblog.com/Images/dot.gif)
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init_inodecache();
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register_filesystem(&sock_fs_type);
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sock_mnt = kern_mount(&sock_fs_type);
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![](http://www.cppblog.com/Images/dot.gif)
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。
1![](http://www.cppblog.com/Images/OutliningIndicators/ExpandedBlockStart.gif)
struct socket_alloc
{
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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。
1![](http://www.cppblog.com/Images/OutliningIndicators/ExpandedBlockStart.gif)
static struct file_system_type sock_fs_type =
{
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.name = "sockfs",
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.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。
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static int sockfs_get_sb(struct file_system_type *fs_type,int flags, const char *dev_name, void *data,struct vfsmount *mnt)
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![](/Images/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
{
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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。
1![](/Images/OutliningIndicators/ExpandedBlockStart.gif)
static 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
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。
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static struct socket *sock_alloc(void)
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{
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struct inode *inode;
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struct socket *sock;
5![](/Images/OutliningIndicators/InBlock.gif)
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inode = new_inode(sock_mnt->mnt_sb);
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sock = SOCKET_I(inode);
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inode->i_mode = S_IFSOCK | S_IRWXUGO;
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inode->i_uid = current_fsuid();
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inode->i_gid = current_fsgid();
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return sock;
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}
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。
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static int sock_alloc_file(struct socket *sock, struct file **f, int flags)
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![](/Images/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
{
3![](/Images/OutliningIndicators/ExpandedSubBlockStart.gif)
struct qstr name =
{ .name = "" };
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struct path path;
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struct file *file;
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int fd;
7![](/Images/OutliningIndicators/InBlock.gif)
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fd = get_unused_fd_flags(flags);
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path.dentry = d_alloc(sock_mnt->mnt_sb->s_root, &name);
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path.mnt = mntget(sock_mnt);
13![](/Images/OutliningIndicators/InBlock.gif)
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path.dentry->d_op = &sockfs_dentry_operations;
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d_instantiate(path.dentry, SOCK_INODE(sock));
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SOCK_INODE(sock)->i_fop = &socket_file_ops;
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file = alloc_file(&path, FMODE_READ | FMODE_WRITE, &socket_file_ops);
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![](http://www.cppblog.com/Images/dot.gif)
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sock->file = file;
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file->f_flags = O_RDWR | (flags & O_NONBLOCK);
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file->f_pos = 0;
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file->private_data = sock;
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*f = file;
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return fd;
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}
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。
1![](http://www.cppblog.com/Images/OutliningIndicators/ExpandedBlockStart.gif)
static const struct dentry_operations sockfs_dentry_operations =
{
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.d_dname = sockfs_dname,
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};
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。
1![](http://www.cppblog.com/Images/OutliningIndicators/ExpandedBlockStart.gif)
static const struct file_operations socket_file_ops =
{
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.aio_read = sock_aio_read,
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.aio_write = sock_aio_write,
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6![](http://www.cppblog.com/Images/OutliningIndicators/ExpandedSubBlockStart.gif)
.open = sock_no_open, /**//* special open code to disallow open via /proc */
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.release = sock_close,
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};
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。
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void fd_install(unsigned int fd, struct file *file)
2![](http://www.cppblog.com/Images/OutliningIndicators/ExpandedBlockStart.gif)
![](http://www.cppblog.com/Images/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
{
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struct files_struct *files = current->files;
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struct fdtable *fdt;
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spin_lock(&files->file_lock);
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fdt = files_fdtable(files);
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BUG_ON(fdt->fd[fd] != NULL);
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rcu_assign_pointer(fdt->fd[fd], file);
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spin_unlock(&files->file_lock);
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}
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)。
posted on 2015-05-03 16:31
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