从内核数据结构的角度理解socket

目录

一、socket核心：内核数据结构的三角关系

（1）struct socket：网络协议的抽象接口

（2）struct sock：传输层协议的控制中心

（3）struct file与files struct：文件系统的接入层

二、Socket调用全流程

（1）socket()：创建核心结构，奠定基础协议

（2）bind()：绑定地址，确定网络身份

（3）监听与连接：TCP 特有流程，依赖队列管理

1.listen()：初始化连接队列，进入监听状态

2.connect()：客户端发起连接，触发三次握手

3.accept()：提取已完成连接，创建新套接字

（4）数据传输：read()/write() 与缓冲区管理

1.TCP 数据传输：可靠传输的缓冲区协作

2.UDP 数据传输：简单无状态的队列管理

（5）close()：释放资源，终止连接

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        在Linux网络编程中，socket是连接用户态和内核态的核心接口。从socket创建套接字到close关闭套接字，每一步都伴随着内核数据结构的创建、修改与销毁。本文将从内核数据结构的角度，详解socket的调用流程，重点对比TCP、UDP在数据结构上的设计差异，揭示网络是如何统一到文件系统中的。

        从数据结构视角看，Socket 的调用过程本质是内核通过 “三层结构”（files_struct→struct file→struct socket→struct sock）实现的资源管理流程。TCP 因需可靠传输和连接管理，其 struct sock 设计复杂，包含大量状态和队列字段；UDP 作为无连接协议，结构精简，聚焦高效数据转发。

        这种 “统一框架（文件系统 + socket 抽象）+ 差异化实现（协议专属 struct sock）” 的设计，既保证了用户态接口的一致性（均通过 fd 操作），又满足了不同协议的特性需求，是 Linux 内核 “抽象复用” 与 “按需扩展” 思想的经典体现。理解这些数据结构的变化，能帮助我们更深入地掌握网络编程的本质，优化程序性能与可靠性。

一、socket核心：内核数据结构的三角关系

        Linux遵循一切皆文件的设计哲学，socket作为特殊的网络文件，其管理依赖三个核心数据结构的协作，这也是理解socket操作的基础。

（1）struct socket：网络协议的抽象接口

        struct socket是Socket的“管理层”结构，负责衔接用户态接口与内核协议逻辑。其中的ops字段指向协议专属的操作集（如TCP的tcp_prot_ops UDP 的udp_prot_ops),sk字段指向协议实现的核心数据结构struct sock。

        这个结构体也是最上层操作的，聚焦于对外（用户）暴露状态等。当调用如bind的时候，会从这个结构体中找到对应的操作集，然后调用其中的操作函数，从而修改struct sock的成员变量。

        struct socket中暴露给用户的状态较为简单，只有“未连接、已连接、正在连接、监听”等通用流程状态，目的是为了让用户知道该套接字处于流程的哪一步。而struct sock则更加复杂详细，在TCP中会有TCP_CLOSED\ESTABLISHED\SYN_SENT等11个状态；在UDP中由于其不是面向连接的协议，所以状态也会较为简单，通常只有“空闲、已绑定”等基础状态。

        至于这里的struct file指针，则是“一切皆文件”的体现，socket本质也是一种文件，所有每一个socket套接字会有一个fd文件描述符，而struct file中的private date也会指向该socket，是一种双向查找的关系。

（2）struct sock：传输层协议的控制中心

        struct sock是传输层协议的 “实干层” 结构，存储了协议运行的关键状态与资源。TCP 因需要可靠传输和连接管理，其 struct sock包含大量特有字段（如连接队列、滑动窗口）；而 UDP 作为无连接协议，结构更精简，仅保留基础的地址和缓冲区信息。

        这里可以看到是利用联合体实现的多态。不过公共的字段（如发送缓冲区、接收缓冲区、IP地址、操作集等）。联合体的特点是他本身不知道自己是什么类型，谁填充这个字段，谁就负责管理他，所以这里有一个协议操作集，他们用于操作struct socket本身。体现一个层级架构。

        操作集在用户调用socket系统调用的时候，已经告诉了内核这个套接字应用什么协议SOCK_DGRAM、SOCK_STREAM，所以内核就会根据其填充他的操作集ops。

        如果未来要新增传输协议，比如替代TCP的某一部分，只需要定义自己的struct proto_ops，然后稍稍修改一下内核中socket创建时ops的指向即可。

（3）struct file与files struct：文件系统的接入层

        socket需要通过文件描述符fd被用户操作，这依赖文件系统的核心结构。

        struct file是 Socket 接入文件系统的 “适配器”，通过private_data关联struct socket；filese_struct则管理进程的所有fd，确保每个 Socket 对应唯一的fd索引。

        而在struct file中我们之前说过有个成员是f_ops,他是这个文件的操作集。不同类型的文件操作集指向的函数是不一样的。

二、Socket调用全流程

（1）socket()：创建核心结构，奠定基础协议

        用户态调用：

int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0); // 创建 TCP 套接字
// 或
int fd = socket(AF_INET, SOCK_DGRAM, 0);  // 创建 UDP 套接字

内核操作与结构变化：

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核心差异：TCP 的 struct sock 会预分配连接管理所需的内存（如 request_sock_queue），而 UDP 直接初始化缓冲区队列，结构更轻量。

（2）bind()：绑定地址，确定网络身份

   用户态调用：

struct sockaddr_in addr = {.sin_family = AF_INET,.sin_port = htons(8080),.sin_addr.s_addr = INADDR_ANY
};
bind(fd, (struct sockaddr*)&addr, sizeof(addr));

        这里有sockaddr_in和sockaddr两个结构体，他们体现了C语言版本的继承。无论是父类还是子类都是相同的大小，但是第一位成员永远是协议族，当访问到第一个成员之后，就可以按照该协议进行解析这个sockaddr类，从而获取有效信息。这也是必须要填入协议族的原因。

在sockaddr中是由2位协议类型+14位空白字节组成的。可以看做基类

而sockaddr_in则是对他进行重写，前两位仍然表示协议族，后面14个字节则划分成了端口号、IPV4地址、和8位空白字段。可以看做是子类。

除了他们，还有许多的“子类”。如sockaddr_in6、sockaddr_un、sockaddr_nl等，他们分别用于不同的场景。

内核操作与结构变化：

核心差异：绑定操作对 TCP 和 UDP 逻辑相同，均是填充地址信息，无协议特有逻辑。

（3）监听与连接：TCP 特有流程，依赖队列管理

1.listen()：初始化连接队列，进入监听状态

用户态调用：

listen(fd, 10); // 最大已完成连接队列长度为 10

内核操作与结构变化：

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核心差异：UDP 无 listen() 操作，其 struct sock 无连接队列字段，无需初始化。

2.connect()：客户端发起连接，触发三次握手

用户态调用（客户端）：

connect(fd, (struct sockaddr*)&server_addr, sizeof(server_addr));

内核操作与结构变化：

​​​​​​​​​​​​​​

核心差异：UDP 的 connect() 仅在 struct sock 中记录远程地址（sk_daddr），无三次握手，不改变状态（仍为无连接）。

3.accept()：提取已完成连接，创建新套接字

用户态调用（服务器）：

int client_fd = accept(listen_fd, (struct sockaddr*)&client_addr, &len);

内核操作与结构变化：

核心差异：UDP 无 accept() 操作，数据传输直接使用绑定的套接字，无需创建新套接字。

（4）数据传输：read()/write() 与缓冲区管理

TCP 和 UDP 的数据传输均依赖struct sock中的数据发送 / 接收队列（sk_write_queue/sk_receive_queue），但因协议特性，管理逻辑差异显著，且实现细节也大不相同。

1.TCP 数据传输：可靠传输的缓冲区协作

2.UDP 数据传输：简单无状态的队列管理

（5）close()：释放资源，终止连接

用户态调用：

close(fd);

内核操作与结构变化：