Linux中网络初始化函数sock_init的实现

网络套接字初始化sock_init

void __init sock_init(void)
{int i;/**	Initialize all address (protocol) families. */for (i = 0; i < NPROTO; i++) net_families[i] = NULL;/**	Initialize sock SLAB cache.*/sk_init();#ifdef SLAB_SKB/**	Initialize skbuff SLAB cache */skb_init();
#endif/**	Initialize the protocols module. */init_inodecache();register_filesystem(&sock_fs_type);sock_mnt = kern_mount(&sock_fs_type);/* The real protocol initialization is performed when*  do_initcalls is run.  */#ifdef CONFIG_NETFILTERnetfilter_init();
#endif
}

函数功能概述

sock_init 函数是Linux网络子系统的核心初始化函数，负责建立套接字基础设施

void __init sock_init(void)
{int i;

函数声明：

• void __init: 初始化函数，完成后内存可被释放
• sock_init(void): 网络套接字初始化主函数
• int i: 循环计数器，用于初始化协议家族数组

协议家族数组初始化

	/**	Initialize all address (protocol) families. */for (i = 0; i < NPROTO; i++) net_families[i] = NULL;

协议家族表初始化：

• 初始化所有地址（协议）家族
• for (i = 0; i < NPROTO; i++): 遍历所有可能的协议家族
• net_families[i] = NULL: 将每个协议家族指针初始化为NULL
• NPROTO: 最大协议数量常量
• net_families: 全局数组，存储所有注册的网络协议家族处理程序

套接字SLAB缓存初始化

	/**	Initialize sock SLAB cache.*/sk_init();

套接字对象缓存初始化：

• 初始化sock SLAB缓存
• sk_init(): 初始化套接字对象的SLAB分配器
• SLAB缓存: Linux内核的高效内存分配机制
• 作用: 为struct sock结构体提供快速的内存分配和释放

SKB缓冲区的SLAB缓存初始化

#ifdef SLAB_SKB/**	Initialize skbuff SLAB cache */skb_init();
#endif

条件编译的SKB缓存初始化：

• #ifdef SLAB_SKB: 只在配置了SLAB_SKB时编译
• 初始化skbuff SLAB缓存
• skb_init(): 初始化套接字缓冲区（sk_buff）的SLAB分配器
• sk_buff: 网络数据包在内核中的表示结构
• 重要性: sk_buff是网络栈中最频繁分配和释放的数据结构

套接字文件系统初始化

	/**	Initialize the protocols module. */init_inodecache();register_filesystem(&sock_fs_type);sock_mnt = kern_mount(&sock_fs_type);

套接字文件系统设置：

1. init_inodecache(): 初始化套接字文件系统的efs_inode_info结构体的slab缓存

   • 为sockfs创建专用的SLAB缓存
   • 提高inode分配效率

2. register_filesystem(&sock_fs_type): 注册套接字文件系统类型

   • sock_fs_type: 套接字文件系统类型结构体
   • 向VFS注册新的文件系统类型

3. sock_mnt = kern_mount(&sock_fs_type): 内核挂载套接字文件系统

   • 创建并挂载sockfs的挂载点
   • sock_mnt: 全局变量存储挂载信息

初始化调用说明

	/* The real protocol initialization is performed when*  do_initcalls is run.  */

协议初始化时机说明：

• 真正的协议初始化在do_initcalls运行时执行
• 这里只建立基础设施

网络过滤器初始化

#ifdef CONFIG_NETFILTERnetfilter_init();
#endif
}

Netfilter初始化：

• #ifdef CONFIG_NETFILTER: 只在配置了Netfilter时编译
• netfilter_init(): 初始化网络过滤框架
• Netfilter: Linux的包过滤框架，iptables的基础
• 函数结束

sock初始化sk_init

void __init sk_init(void)
{sk_cachep = kmem_cache_create("sock", sizeof(struct sock), 0,SLAB_HWCACHE_ALIGN, NULL, NULL);if (!sk_cachep)printk(KERN_CRIT "sk_init: Cannot create sock SLAB cache!");if (num_physpages <= 4096) {sysctl_wmem_max = 32767;sysctl_rmem_max = 32767;sysctl_wmem_default = 32767;sysctl_rmem_default = 32767;} else if (num_physpages >= 131072) {sysctl_wmem_max = 131071;sysctl_rmem_max = 131071;}
}

函数功能概述

这是一个socket子系统的初始化函数，主要完成两个任务：创建socket对象的内存缓存池，以及根据系统内存大小设置socket缓冲区的大小限制

代码逐段解析

函数定义

void __init sk_init(void)
{

• void __init: 返回值为void，__init宏表示该函数在系统初始化后会被释放（节省内存）
• sk_init: 函数名，socket initialize的缩写

创建socket对象缓存池

	sk_cachep = kmem_cache_create("sock", sizeof(struct sock), 0,SLAB_HWCACHE_ALIGN, NULL, NULL);

• sk_cachep: 全局变量，指向socket对象的内存缓存池
• kmem_cache_create(): 内核内存缓存创建函数，参数如下：
  • "sock": 缓存名称，用于调试和/proc/slabinfo显示
  • sizeof(struct sock): 每个对象的大小，即struct sock结构体的大小
  • 0: 对齐偏移量，0表示使用默认值
  • SLAB_HWCACHE_ALIGN: 标志位，要求硬件缓存行对齐，提高缓存性能
  • NULL: 构造函数指针，这里为NULL表示不需要特殊的初始化
  • NULL: 析构函数指针，这里为NULL表示不需要特殊的清理

	if (!sk_cachep)printk(KERN_CRIT "sk_init: Cannot create sock SLAB cache!");

• if (!sk_cachep): 检查缓存池是否创建成功
• printk(KERN_CRIT ...): 如果创建失败，输出关键错误信息到内核日志
• KERN_CRIT: 表示关键错误级别，通常会在控制台显示

根据系统内存设置socket缓冲区限制

	if (num_physpages <= 4096) {sysctl_wmem_max = 32767;sysctl_rmem_max = 32767;sysctl_wmem_default = 32767;sysctl_rmem_default = 32767;

小内存系统配置（≤4096页）：

• num_physpages <= 4096: 判断物理内存页数是否小于等于4096页
  • 假设页大小为4KB，则4096页 = 16MB内存
• sysctl_wmem_max = 32767: 设置发送缓冲区最大值为32767字节（约32KB）
• sysctl_rmem_max = 32767: 设置接收缓冲区最大值为32767字节
• sysctl_wmem_default = 32767: 设置发送缓冲区默认值为32767字节
• sysctl_rmem_default = 32767: 设置接收缓冲区默认值为32767字节

	} else if (num_physpages >= 131072) {sysctl_wmem_max = 131071;sysctl_rmem_max = 131071;}
}

大内存系统配置（≥131072页）：

• num_physpages >= 131072: 判断物理内存页数是否大于等于131072页
  • 131072页 = 512MB内存（131072 × 4KB）
• sysctl_wmem_max = 131071: 设置发送缓冲区最大值为131071字节（约128KB）
• sysctl_rmem_max = 131071: 设置接收缓冲区最大值为131071字节

详细功能说明

1. 内存缓存池创建

• 目的: 高效管理socket对象的内存分配
• 优势:
  • 避免频繁的kmalloc/kfree操作
  • 减少内存碎片
  • 硬件缓存对齐提高性能
• 重要性: 如果创建失败，整个socket子系统将无法正常工作

2. 缓冲区大小调优

• 设计理念: 根据系统内存容量自适应调整
• 三个级别:
  • 小内存系统（≤16MB）: 保守配置32KB限制，避免内存耗尽
  • 中等内存系统: 使用内核编译时的默认值
  • 大内存系统（≥512MB）: 宽松配置128KB限制，提高网络性能

netfilter初始化netfilter_init

void __init netfilter_init(void)
{int i, h;for (i = 0; i < NPROTO; i++) {for (h = 0; h < NF_MAX_HOOKS; h++)INIT_LIST_HEAD(&nf_hooks[i][h]);}
}

函数功能概述

这是一个netfilter子系统的初始化函数，用于初始化网络协议钩子（hook）的双向链表结构，为后续的网络包过滤、NAT等功能的钩子函数注册做好准备

代码逐段解析

函数定义

void __init netfilter_init(void)
{

• void __init: 返回值为void，__init宏表示该函数在系统初始化后会被释放（节省内存）
• netfilter_init: 函数名，netfilter initialize的缩写

变量声明

	int i, h;

• int i: 外层循环计数器，用于遍历网络协议
• int h: 内层循环计数器，用于遍历钩子点

嵌套循环初始化

	for (i = 0; i < NPROTO; i++) {for (h = 0; h < NF_MAX_HOOKS; h++)INIT_LIST_HEAD(&nf_hooks[i][h]);}
}

外层循环

for (i = 0; i < NPROTO; i++)

• i = 0: 从第一个协议开始
• i < NPROTO: 循环条件，NPROTO是网络协议的数量常量
• 遍历所有支持的网络协议（如IPv4、IPv6、ARP等）

内层循环

for (h = 0; h < NF_MAX_HOOKS; h++)

• h = 0: 从第一个钩子点开始
• h < NF_MAX_HOOKS: 循环条件，NF_MAX_HOOKS是每个协议支持的最大钩子点数
• 遍历每个协议的所有可能钩子点

链表头初始化

INIT_LIST_HEAD(&nf_hooks[i][h]);

• INIT_LIST_HEAD(): Linux内核双向链表初始化宏
• &nf_hooks[i][h]: 取第i个协议第h个钩子点的链表头地址
• nf_hooks: 全局的二维数组，结构为：struct list_head nf_hooks[NPROTO][NF_MAX_HOOKS]

数据结构详细说明

nf_hooks二维数组结构

nf_hooks[NPROTO][NF_MAX_HOOKS]
│
├── [0] (IPv4协议)
│   ├── [0] NF_IP_PRE_ROUTING  钩子链表
│   ├── [1] NF_IP_LOCAL_IN     钩子链表  
│   ├── [2] NF_IP_FORWARD      钩子链表
│   ├── [3] NF_IP_LOCAL_OUT    钩子链表
│   └── [4] NF_IP_POST_ROUTING 钩子链表
│
├── [1] (IPv6协议)
│   ├── [0] NF_IP6_PRE_ROUTING 钩子链表
│   └── ...
│
├── [2] (ARP协议)
│   └── ...
│
└── ... (其他协议)

INIT_LIST_HEAD宏的作用

#define INIT_LIST_HEAD(ptr) do { \(ptr)->next = (ptr); \(ptr)->prev = (ptr); \
} while (0)

• 将链表头的next和prev指针都指向自己
• 创建一个空的双向循环链表