本文目标是深入探讨下 sockfd 指向的 socket 到底是啥。首先，socket 当然是文件（Unix 下又有什么不是文件呢），但是我希望能够将 socket 和普通文件联系起来，有一个明确的概念，也就是：文件在 Linux 下到底是什么？Socket 又与其有何区别？
接下来的讨论假定读者已经阅读过 APUE 第三章，对 Unix 文件系统有基本了解。然后我们再来看 Linux 下的文件系统结构。
首先，在 Linux 下，每个进程都有对应的一个 task_struct （include/linux/sched.h）结构体来管理进程。这个结构体的代码长达 617 行，几乎是内核中最复杂的一个结构体了，鉴于其究极复杂程度，这里只摘要出我们所关心的和文件系统相关的代码：
struct task_struct {
// ...
/* Filesystem information: */
struct fs_struct *fs;
/* Open file information: */
struct files_struct *files;
// ...
}
我们先看 fs_struct（include/linux/fs_struct.h)：
struct fs_struct {
int users;
spinlock_t lock;
seqcount_t seq;
int umask;
int in_exec;
struct path root, pwd;
}
// inlcude/linux/path.h
struct path {
// ...
struct vfsmount *mnt;
struct dentry *dentry;
}
这个结构比较简单，里面保存的是当前文件系统的信息，从变量名可以看出，还保存了 root 和 pwd 信息。其中的 dentry 我们暂且不管。
然后再看 files_struct（include/linux/fdtable.h），同样的，我们将细节代码省去：
struct files_struct {
// ...
struct fdtable __rcu *fdt;
// ...
}
struct fdtable {
unsigned int max_fds;
struct file __rcu **fd; /* current fd array */
unsigned long *close_on_exec;
unsigned long *open_fds;
unsigned long *full_fds_bits;
struct rcu_head rcu;
};
可以看到，files_struct 最主要的内容就是一个指针指向一个 file 结构的数组，数组的大小由 max_fds 标记。
Note: 注意，我们通过 open 或者 socket 拿到的 fd 其实就是这个数组的 index，到现在为止，我们的结构及信息都是进程内部私有的，struct file __rcu **fd; 指向的 file 结构则是所谓的全局打开文件表了。
file（include/linux/fs.h）结构的关键代码如下：
struct file {
// ...
struct path f_path;
struct inode *f_inode; /* cached value */
const struct file_operations *f_op;
unsigned int f_flags;
fmode_t f_mode;
struct mutex f_pos_lock;
loff_t f_pos;
}
其中，打开文件的状态标志及偏移量就记录在 file 结构内。我们暂时忽略 file_operations，那么，其中最关键的结构就是 f_path 中包含的 dentry 及大名鼎鼎的 inode 了。
我们先来看 dentry（include/linux/dcache.h）：
struct dentry {
struct dentry *d_parent; /* parent directory */
struct qstr d_name;
struct inode *d_inode; /* Where the name belongs to - NULL is
* negative */
const struct dentry_operations *d_op;
struct super_block *d_sb; /* The root of the dentry tree */
struct list_head d_child; /* child of parent list */
struct list_head d_subdirs; /* our children */
}
dentry 代表的就是操作系统描述文件系统时，给出的目录项的概念。我们可以想象一个文件拥有很多信息，包括文件长度、磁盘位置、创建时间、更新时间等，这些信息 Linux 由 inode 结构来管理，同时，由于符号链接的存在，每个物理文件可以由多个逻辑文件名，所以和文件名相关信息交由 dentry 结构管理。同样的，我们暂时忽略 dentry_operations 这个结构。
其中 d_inode 指针指向对应的 inode 结构。inode（include/linux/fs.h）结构的关键代码如下：
struct inode {
// ...
const struct inode_operations *i_op;
struct super_block *i_sb;
loff_t i_size; // 文件大小，字节数
blkcnt_t i_blocks; // 文件大小，块数
struct timespec64 i_atime;
struct timespec64 i_mtime;
struct timespec64 i_ctime;
}
如上文所述，关于文件的大部分信息都保存在 inode 结构中。到目前为止，我们忽略了 file_operations、dentry_operations、inode_operations，我们现在来看下这些结构是干嘛的：
struct file_operations {
struct module *owner;
loff_t (*llseek) (struct file *, loff_t, int);
ssize_t (*read) (struct file *, char __user *, size_t, loff_t *);
ssize_t (*write) (struct file *, const char __user *, size_t, loff_t *);
// ...
};
struct dentry_operations {
int (*d_delete)(const struct dentry *);
int (*d_init)(struct dentry *);
char *(*d_dname)(struct dentry *, char *, int);
// ...
};
struct inode_operations {
int (*create) (struct inode *,struct dentry *, umode_t, bool);
int (*link) (struct dentry *,struct inode *,struct dentry *);
int (*unlink) (struct inode *,struct dentry *);
int (*symlink) (struct inode *,struct dentry *,const char *);
int (*mkdir) (struct inode *,struct dentry *,umode_t);
int (*rmdir) (struct inode *,struct dentry *);
// ...
};
这样子一下子就清晰了，operations 这种结构就是保存这各类适用于该结构的函数指针，具体函数实现再交由如 ext2 这样的具体文件系统来实现。
到现在为止，我们终于对 Linux 文件系统有一个较为清晰的认识了：
讲了这么多，我们总算可以继续探讨最开始的问题：socket 到底是啥？
当然，socket 是一个文件，不同于一开始，我们现在可以从进程到 inode 都有一个非常正确的认知，不过，我们还需要继续思考，socket 又是如何与 inode 联系起来的？
答案要回到我们最初的调用 int socket(...) 中，最终这个函数会调用 sock_alloc_inode(...) 来创建 inode，sock_alloc_inode（net/socket.c）中我们关心的代码如下：
static struct inode *sock_alloc_inode(struct super_block *sb)
{ // Linux 是大括号换行党 ==!
struct socket_alloc *ei;
// ...
ei = kmem_cache_alloc(sock_inode_cachep, GFP_KERNEL);
// ...
return &ei->vfs_inode;
};
看代码发现，虽然这个函数是要创建 inode，实际上函数里却创建了 socket_alloc 结构，socket_alloc（include/net/sock.h）：
struct socket_alloc {
struct socket socket;
struct inode vfs_inode;
};
继续看看 socket（include/linux/net.h）结构：
struct socket {
socket_state state;
short type;
unsigned long flags;
struct socket_wq *wq;
struct file *file;
struct sock *sk;
const struct proto_ops *ops;
};
现在看到 proto_ops 想必不会疑惑了，来看看在 socket 这个结构上，定义了哪些函数指针：
struct proto_ops {
int family;
int (*bind) (struct socket *sock,
struct sockaddr *myaddr,
int sockaddr_len);
int (*connect) (struct socket *sock,
struct sockaddr *vaddr,
int sockaddr_len, int flags);
int (*accept) (struct socket *sock,
struct socket *newsock, int flags, bool kern);
__poll_t (*poll) (struct file *file, struct socket *sock,
struct poll_table_struct *wait);
int (*listen) (struct socket *sock, int len);
int (*shutdown) (struct socket *sock, int flags);
// ....
};
嗯。。。至少这些函数看起来就非常熟悉了。
另外，socket 结构中，另一个重要结构是 sock，下面把 sock（include/net/sock.h)感兴趣的字段列出来：
// sock 结构非常复杂，贯穿各层
struct sock {
// 待读包队列
struct sk_buff_head sk_receive_queue;
// receive buffer size
int sk_rcvbuf;
// send buffer size
int sk_sndbuf;
// 待写包队列
struct sk_buff_head sk_write_queue;
// ...
};
其中，sk_buff 是网络数据报在内核中的表现形式。不过我们不再往下探究了。
剩下的最后一个问题就是，内核又是如何通过 inode 获得对应的 socket 的呢?
答案在 SOCKET_I（include/net/sock.h）这个函数里：
static inline struct socket *SOCKET_I(struct inode *inode)
{
return &container_of(inode, struct socket_alloc, vfs_inode)->socket;
}
终于，socket 与 Linux 文件系统的关系，已经了然于胸。