导引:为什么是第三个成员 + 加法非破坏的 bind_path

到 069 章为止,AF_INET 这条腿已经站得很稳——UDP(063)、TCP(069)、协议栈、e1000 驱动全跑通了。可 Linux 的 socket 抽象里还有另一条腿:AF_UNIX,本地命名空间 socket。它服务的场景跟 AF_INET 完全不同——两个任务在同一台机器上要传字节流,走 TCP 得分配端口、填 IPv4 地址、过协议栈、包再到 loopback 收一圈,纯是杀鸡用牛刀。AF_UNIX 给的是一条不走网卡的近道:socket 还是那个 socket(同样的 socket()/bind()/listen()/accept()/send()/recv()),只是地址从 (IP, port) 换成了一个文件系统风格的名字,字节不经网卡、不经 L4 协议栈,直接从一个 socket 的 send() 拷到对端 socket 的 RX 环里。

这一章的真主题不是「AF_UNIX 字段怎么填」——那部分比 TCP 还简单,因为根本没有协议字段要填。真正要讲清的是三件加法而非破坏的工程决定:其一,AF_UNIX 的路径名字塞不进 AF_INET 那对 bind(uint16_t)/connect(Ipv4Addr, port) 的既有签名,于是给 Socket base 加一对 bind_path/connect_path 虚函数,默认 NotImplemented,既有 Udp/TcpSocket 一行不改;其二,一个 UnixSocket 类同时扮演监听端和已连接端两个角色(跟 069 的 TcpSocket 同一套镜像思路),靠 listening_/connected_ 几个 bool 切换;其三,AF_UNIX 的名字住在一个内存命名空间(UnixRegistry,一张定长表),不依赖任何真文件系统——bind 不是去 tmpfs/ext2 上建 socket inode,是往内存表里塞一条记录。一条诚实的边界先说在前头:这是 loopback 友好的最小可用 AF_UNIX,真 Linux 的 fs-backed bind、abstract socket(path 首字节 \0)、DGRAM sendto(path) 都还没做;getsockname/getpeername/socketpair/shutdown/poll 这几样已经顺手吃下了,正文点到、不喧宾夺主。

这章咱们要点亮什么

1. 加法非破坏:bind_path/connect_path 是 Socket base 上新加的虚函数,默认 NotImplemented。不是去改 AF_INET 那对 bind(uint16_t)/connect(Ipv4Addr, port) 的签名(那会撞已经合进 main 的 UdpSocket/TcpSocket),而是给 AF_UNIX 单开一对路径形状的入口——sys_bind/sys_connect 按 domain() 派发。
2. 两角色一类:UnixSocket 既是监听 socket(server:bind + listen + accept),又是已连接 socket(client connect 之后、或 accept 出来的 child)。listening_/connected_ 两个 bool 区分角色,跟 069 的 TcpSocket 镜像同款。
3. 内存命名空间 UnixRegistry:AF_UNIX 的名字住在一张定长表里(kUnixRegistryMax = 16),bind 就是塞记录、connect 就是查记录、close 就是删记录。不碰真 fs。镜像 071 那个 FifoRegistry。
4. 立即建连,无内核握手:connect_path 直接 new 一个 child、把 client 和 child 互指为 peer、把 child 塞进 server 的 accept 队列。没有 SYN/SYN-ACK 那一套(那是 069 TCP 才需要的协议握手)。所以确定性单线程测试里,send 可以先于 accept——字节先缓冲在 child 的 RX 环里,等 accept 把 child 取走。
5. copy_from_user 的陷阱:ring0 测试内核没法给 sys_bind 喂一个「用户地址」——copy_from_user 的 is_user_vaddr 范围检查拒内核栈指针,sys_bind 会 -EFAULT。所以 echo 测试走 UnixSocket 的直接方法(bind_path/send/recv),不走 sys_bind。这不是 UnixSocket 的 bug,是测试侧的局限,生产路径留 musl 覆盖。
6. 阻塞抄真调度,不 sti/hlt:recv 空环、accept 队列空,都 prepare_to_wait + schedule_blocked 真睡,send/enqueue_accept/close 用 wake_one/wake_all 叫醒。跟 071 修 pipe 阻塞、059 首 discovered 的那族 sti-in-syscall #DF 同根,这里直接复用 prepare_to_wait 模板,不碰 sti/hlt。
7. 加锁顺序无 AB-BA:UnixRegistry 的锁永远不嵌套在 socket 锁里。bind_path/connect_path 先拿 registry 锁查/登记、放掉,再单独拿 socket 锁。peer 指针是 write-once(connect/accept 时设一次之后不动),send 拷进对端 RX 环时只拿对端那一把锁,从不同时拿两把 socket 锁。

为什么 AF_UNIX 是 socket family 的第三个成员

073 立起来那个 socket 适配器模子——SocketOps 这个 InodeOps 子类 + 一个共享单例 socket_ops()——已经把「socket fd 就是个 pipe fd」这件事落定了:File -> Inode -> SocketOps,sys_read/sys_write/sys_close/sys_ioctl 全走 InodeOps 派发,fd 层零改。AF_INET 的 UDP/TCP 挂在这个模子上;AF_UNIX 是挂同一个模子上的第三个 socket family,差别只在 Socket 子类是谁、bind/connect 走哪条虚函数路径。

源码侧,sys_socket 的派发就这么直接(sys_socket.cpp:212-235):

if (domain == static_cast<uint64_t>(kAfUnix)) {
    Socket* s = new UnixSocket(static_cast<int>(type));
    return install_socket_fd(s);
}
if (domain != static_cast<uint64_t>(kAfInet)) {
    return -cinux::kEafnosupport;
}
Socket* s = create_socket(static_cast<int>(domain), static_cast<int>(type));

注意这个分支顺序的小心思:AF_UNIX 在 create_socket() 之前就被截走直接 new UnixSocket 了。原因写在 sys_socket.cpp:218-222 的注释里——create_socket() 是通往生产 L4 协议栈(AF_INET)的唯一桥梁,协议栈没起来(NIC 没初始化)时它返 nullptr;而 AF_UNIX 自给自足,不依赖 NIC、不依赖 L4 模块、不需要 net_init。把 AF_UNIX 截在 create_socket 之前,就让它在测试内核(没有 net_init)里也能用,而且不用为了加 AF_UNIX 去动 drivers/net 和 net_stub 两个地方——典型的「加法非破坏」:AF_INET 那条路径一行没改。

kAfUnix = 1 这个常量在 socket.hpp:38 跟 kAfInet = 2 并排:

constexpr int kAfUnix     = 1;  ///< AF_UNIX (local IPC) -- F8-M3
constexpr int kAfInet     = 2;  ///< AF_INET (IPv4)

值跟 Linux 用户态对齐(用户态 musl 编出来的 AF_UNIX 也是 1),所以同一份 socket(AF_UNIX, SOCK_STREAM, 0) 调用,在 Cinux 和在 Linux 上语义一致。

加法非破坏:bind_path / connect_path 这对虚函数

AF_UNIX 的地址是一个路径字符串(比如 /unix_echo),跟 AF_INET 的 (Ipv4Addr, port) 形状完全对不上。要把它塞进既有签名,有两条路:

• 改 bind/connect 的签名,让它们既吃 (uint16_t) 又吃 (const char*)——blast radius 巨大,会动到已经合进 main 的 UdpSocket/TcpSocket,而且把一个 IP 协议形状的接口硬扭成泛用,接口味道很差。
• 加一对新虚函数 bind_path(const char*)/connect_path(const char*),默认 NotImplemented,只让 UnixSocket override。

源码选了第二条(socket.hpp:117-120):

/// @name AF_UNIX (path-based) API -- overridden by UnixSocket (F8-M3).
virtual cinux::lib::ErrorOr<void>    bind_path(const char* path);
virtual cinux::ErrorOr<void>    connect_path(const char* path);

默认实现就是返 NotImplemented(socket.cpp:33-38):

cinux::lib::ErrorOr<void> Socket::bind_path(const char* /*path*/) {
    return cinux::lib::Error::NotImplemented;
}
cinux::lib::ErrorOr<void> Socket::connect_path(const char* /*path*/) {
    return cinux::lib::Error::NotImplemented;
}

这个范本 socket.hpp:107-120 整段都在用——bind/connect/listen/accept/send/recv 全是 default-stub 虚函数,子类按需 override,最早这范本就是为了让 socket() + close() 先跑起来,协议 op 后面慢慢补。ioctl/stat/open 也是同一个 default-virtual 套路(继承 InodeOps 默认返 NotImplemented/-1/false)。所以 bind_path/connect_path 不是异类,是这套范本的自然延伸。

派发在 sys_bind/sys_connect 里(sys_socket.cpp:242-249 / 264-271):

// sys_bind
if (s->domain() == kAfUnix) {
    char path[cinux::net::kUnixPathMax];
    if (!parse_sockaddr_un(addr, addrlen, path)) {
        return -cinux::kEfault;
    }
    auto r = s->bind_path(path);
    return r.ok() ? 0 : -cinux::to_errno(r.error());
}

sys_connect 长得几乎一样,只是调 connect_path。注意 kAfUnix 这个分支只调 path 那对虚函数,AF_INET 走下面 parse_sockaddr_in + s->bind(port) 的老路——两条腿完全分开,谁也不挡谁。

listen/accept/send/recv 不分 family,直接调 Socket base 上的 family-agnostic 虚函数(sys_socket.cpp:281-288 的 sys_listen、sys_socket.cpp:174-210 的 do_accept)。唯一一处 family 特判在 do_accept 末尾(sys_socket.cpp:205-208):

// AF_UNIX peers carry no address/port -- leave the caller's sockaddr untouched.
if (s->domain() != kAfUnix) {
    fill_sockaddr_in(addr, addrlen_ptr, remote, rport);
}

AF_UNIX 的 peer 没有地址/端口可言(就是个匿名 socket),所以 accept 回填 sockaddr 这步直接跳过——又一处「family 差异在最小处特判」的体现。

sockaddr_un 怎么解析

parse_sockaddr_un(sys_socket.cpp:116-135)把用户态的 sockaddr_un 拷进内核、校验、NUL-终止:

bool parse_sockaddr_un(uint64_t addr_virt, uint64_t addrlen, char* out_path) {
    if (addr_virt == 0 || addrlen < 2) {  // need at least the family field
        return false;
    }
    SockAddrUn sa;
    if (!copy_from_user(&sa, reinterpret_cast<void*>(addr_virt), sizeof(sa))) {
        return false;
    }
    if (sa.family != kAfUnix) {
        return false;
    }
    // Force NUL-termination regardless of what userspace wrote.
    uint32_t i = 0;
    while (i + 1 < cinux::net::kUnixPathMax && sa.path[i] != '\0') {
        out_path[i] = sa.path[i];
        ++i;
    }
    out_path[i] = '\0';
    return out_path[0] != '\0';  // Linux allows empty (abstract) paths; we do not yet
}

三步:长度校验(至少要能装下 2 字节的 family)→ copy_from_user 拷 SockAddrUn 进来(110 字节,family + path[108])→ 强制 NUL-终止。最后一行 return out_path[0] != '\0' 是边界声明:Linux 允许 path 首字节为 \0 的「abstract socket」(名字不走文件系统,住在内核的一个特殊表里),Cinux 这会儿不做——空 path 直接当非法拒掉。这条留到「这章没做的」里。

SockAddrUn 结构跟常量在 socket.hpp:62-71:

struct SockAddrUn {
    uint16_t family;     ///< AF_UNIX (host order)
    char     path[108];  ///< NUL-terminated leaf name
};
static_assert(sizeof(SockAddrUn) == 110, "sockaddr_un is family(2) + path[108]");

static constexpr uint32_t kUnixPathMax = 108;

kUnixPathMax = 108 这个边界常量住在 socket.hpp,不 in unix_socket.hpp(unix_socket.hpp:57-58 的注释特意点明这一点)——理由是 sys_socket.cpp(派发 + parse_sockaddr_un)和测试都要用同一个值,放 SockAddrUn 旁边能让每个看见这个结构体的翻译单元都顺手看见它的边界,不会出现「结构体在 A 头、长度在 B 头、两边各猜一个数」的失同步。