Ⅰ linux fd 系列 — socket fd 是什麼
在Linux系統中，socket fd 是一種網路文件描述符，實質上是一種用於網路通信的文件句柄。它在客戶端和服務端的C/S編程模式中被廣泛使用，實現網路數據的讀寫操作。盡管網路通信介面與文件讀寫介面在表面上有細微差別，但實質上都是I/O操作，即數據的輸入輸出。
例如，當我們查看進程的文件描述符時，會發現其中包含了7、8兩個socket fd，其名稱為"socket:[18892]"。這一名稱包含了該fd的類型信息，類似於文件fd後緊跟的路徑名稱。這個inode編號在其他地方也能看到，如在proc目錄下的net子目錄中，對於使用tcp協議的服務端，我們能查看到與連接狀態相關的信息。
實際上，socket fd與文件句柄在功能上並無本質區別，二者都能實現基本的I/O操作。在理解socket fd時，我們應將其與TCP/IP協議棧區別開來。盡管TCP/IP協議棧是網路通信的基礎，但進行網路編程時，操作系統的socket介面更為直觀和實用。
在描述socket fd時，我們首先需要了解環境和術語基礎，Linux內核版本為4.19，假設未特別說明協議時默認為TCP協議。socket是一個常見的術語，用於指代Linux網路編程中的套接字介面。網路模型通常包括網路協議棧的不同層次，每層執行特定任務，通過不斷封裝實現更高級功能。
在Linux環境下，網路編程往往被稱為套接字編程，這是因為socket介面為程序員提供了與網路通信相關的簡化介面。例如，進行基於TCP的C/S網路程序開發時，主要涉及socket的創建、讀寫和關閉過程。socket的創建通過socket(int domain, int type, int protocol)函數實現，類似於文件句柄的獲取。
網路模型通常分為兩層，上層為應用層，下層為協議層。不同層次之間通過封裝實現，使得應用層程序員能夠專注於業務邏輯，而無需關心底層細節。在Linux系統中，套接字位於所有網路協議之上，提供了一種統一的介面，用於執行網路通信操作。
監聽套接字與普通套接字是兩種不同的類型。監聽套接字僅用於管理連接的建立，而普通套接字則用於數據流傳輸。監聽套接字在可讀事件中關注的是連接隊列的非空狀態，而普通套接字則關注可讀和可寫事件。
為了使socket fd具備文件句柄的語義，Linux內核實現了sockfs文件系統。這個系統為socket提供了統一的介面，與eventfd、ext2 fd等句柄一樣，實現對外I/O操作的一致性。sockfs文件系統的核心在於sock_mnt全局變數中的超級塊操作表sockfs_ops，該表指明了inode分配規則。
在理解inode與具體文件系統（如ext4）之間的關系時，我們發現inode是vfs抽象的適配所有文件系統的結構體，由具體文件系統分配。在Linux中，inode與不同文件系統中的特定結構體（如ext4_inode_info）關聯，通過強制類型轉化在不同層次之間切換。
類似地，sockfs文件系統也有自己的「inode」結構，即struct socket_alloc。這個結構體關聯了socket與inode，是文件抽象的核心之一。socket的創建過程實際上是創建了一個struct socket_alloc結構體，並返回了其中的socket欄位地址。
對於socket編程，我們需要關注服務端和客戶端的幾個關鍵函數。服務端主要涉及socket、bind、listen、accept等函數；客戶端則通常使用socket、connect等函數。下面簡要描述了這幾個函數的實現。
socket函數主要負責創建socket，並根據協議族查找對應的操作表。內核中涉及的函數調用包括sock_create、sock_init_data等，這些函數初始化了socket結構體，包括接收隊列和發送隊列的初始化，以及socket喚醒回調的設置。
bind函數用於將socket與特定的IP和埠號關聯。對於客戶端，盡管可以調用bind，但通常沒有必要，因為內核會在建立連接時自動選擇埠號。服務端則必須使用bind明確指定監聽的IP和埠。
listen函數將普通socket轉換為監聽socket，使socket能夠接收連接請求。listen系統調用執行的主要任務是將socket置於監聽狀態，並在連接請求隊列中等待新連接。
accept函數從連接隊列中接受新連接，並返回一個新的socket描述符。當監聽套接字可讀時，意味著有新連接可用，accept函數被調用以處理這些連接。
最後，我們回顧了socket fd與文件句柄之間的關系，以及如何通過epoll機制實現對socket fd的高效事件管理。epoll機制允許我們注冊socket fd並監聽其可讀、可寫事件，以實現高效的非同步I/O操作。通過理解socket fd和相關函數的實現，我們可以更深入地掌握Linux網路編程的技巧。
Ⅱ linux網路編程(三)-bind()剖析
今天我們將深入探討bind()函數，它在Linux網路編程中扮演著關鍵角色。其基本功能是將一個socket與特定的IP地址和埠綁定，以便客戶端的連接請求能與其關聯起來。
在服務端，bind()是強制性的，因為它確保了伺服器的監聽地址明確。而對於客戶端，bind()並非強制，如果不指定，系統會自動為socket分配一個本地地址和埠進行綁定。
bind()函數接收以下參數：socket文件描述符(sockfd)，一個包含IP地址和埠的struct sockaddr結構體，以及該結構體的長度(address_len)。成功時返回0，失敗則返回-1，並通過errno設置錯誤信息。
值得注意的是，早期的協議地址類型已發展為IPV4和IPV6，這促使對sockaddr結構體的更新。例如，要綁定一個IPv4地址，需要相應地構造地址參數。
在內核層面，bind()的實現涉及如下步驟：首先，通過fd找到與之關聯的socket實例。然後，對提供的地址和埠參數進行有效性檢查。最後，將這些參數值賦給socket實例中的相關成員。
總的來說，bind()函數的工作相對直接且明確，主要包括：根據提供的描述符獲取socket實例，驗證地址和埠參數，以及配置socket實例的內部數據結構。
Ⅲ linux網路編程(三)-bind()剖析
探討bind()函數在Linux網路編程中的應用，該函數主要用於socket的地址綁定。函數原型如下：
通過bind()函數，客戶端和伺服器能夠將socket與特定的地址關聯，以便進行數據的收發。在服務端，調用bind()進行地址綁定是必要的；而對於客戶端，是否調用該函數則取決於具體需求，若不調用，則系統會自動分配埠和本地地址與socket綁定。
bind()函數的關鍵參數包括：
sockfd：代表socket文件描述符，用於標識socket實例。
address：包含IP地址與埠號的結構體，類型為sockaddr。
address_len：地址參數長度，通常為sizeof(address)。
返回值為成功時的0，失敗時的-1，並設置errno錯誤碼。
關於address參數的具體說明：
早期使用的協議地址類型。隨著IPV4、IPV6的普及，新的sockaddr類型被定義以適應不同的地址類型。
舉例說明，當需要綁定IPv4地址時：
深入分析bind()函數在內核中的實現邏輯：
通過fd找到對應的socket實例。
執行bind()函數內部的實現邏輯，主要完成以下步驟：
1. 通過fd查找並獲取socket實例。
2. 對傳入的地址+埠參數進行校驗。
3. 對socket實例的成員變數進行賦值，以實現與特定地址的綁定。
bind()函數的核心在於實現socket與特定IP地址和埠的綁定，通過一系列步驟完成此任務，為網路通信提供基礎支持。