11.1 Sockets

有一个哲学问题贯穿了 Unix 的历史："一切皆文件"。

按照这个哲学，网络通信应该和读写本地文件一样自然：open()，read()，write()，close()。但当你真正深入到网络子系统的实现时，会发现内核为了维持这种"文件"的假象，在背后做了一系列极其复杂的伪装。

更让人困惑的是，为了实现这套接口，内核维护了两个名字极度相似、但职责完全不同的结构体。为什么要把一个简单的通信端点拆成两半？这不仅是历史包袱，更是理解整个 Linux 网络栈的第一道门槛。

这一节，我们先从用户视角看这套接口是怎么设计的，然后撕开这层接口，看看内核里藏着的那个"双胞胎"谜题。

套接字的类型

Socket API 支持多种通信类型。我们这里先扫一眼，重点放在本章会深入讨论的几种上。

Stream Sockets (SOCK_STREAM) 把它想象成打电话。 首先，你得先拨号建立连接，这就像 TCP 的三次握手——如果对方没接通（占线、关机），你这一通电话是打不出去的。一旦接通，信道就是独占的、双向的。你说什么，对方就听到什么，话音（字节流）是有序到达的，不会丢字。 TCP 就是这种机制的代名词。如果你受不了数据出错或乱序，选它准没错。

Datagram Sockets (SOCK_DGRAM) 这就像寄明信片。 你把明信片扔进邮筒，转身就走。既不邮局也不保证它什么时候送到，甚至不保证它一定能送到——可能半路被风吹走了，可能晚了三天才到，可能对方收到了两份一样的。好处是你不需要先打电话问对方"我可以寄信了吗"，直接寄就行。 UDP 就是这个模式。如果你在写实时音视频或者游戏，对丢包容忍度较高，但对延迟极度敏感，明信片就是你的首选。

但请记住"明信片"这个比喻有一个地方是不严谨的：在局域网环境极其通畅的情况下，UDP 几乎不丢包，这时候它看起来像是一个可靠的快递。但千万别被这种表象迷惑，一旦跨公网，它立马变回那张可能丢失的明信片。

Raw Sockets (SOCK_RAW) 这是一个「上帝模式」接口。 它允许你绕过传输层，直接跟 IP 层对话。如果你想自己构造 IP 头、实现自己的协议，或者写一个类似 ping 的工具（需要 ICMP 访问权限），你就得用这个。 当然，这种特权通常需要 root 权限——毕竟内核可不想让你随便伪造一个源 IP 去搞事情。

其他类型 Linux 还支持其他几种较为特殊的类型：

• SOCK_RDM：提供可靠传递消息，主要用于 TIPC（透明进程间通信协议）。
• SOCK_SEQPACKET：类似 SOCK_STREAM，也是面向连接的，但它保留了记录边界。
• SOCK_DCCP：数据报拥塞控制协议，一种结合了 TCP 和 UDP 特性的传输协议。
• SOCK_PACKET：在 AF_INET 协议族中已被认为过时。

Socket API 的核心方法

用户空间的程序员每天都在和下面这些函数打交道。但在内核视角下，它们不仅仅是函数调用，而是通向复杂内核子系统的入口：

• socket()：创建一个新的 Socket。这不仅仅是 malloc 一块内存那么简单，背后涉及协议族的查找和初始化。
• bind()：给 Socket 赋予一个「身份」（本地端口和 IP 地址）。
• send() / recv()：收发数据的基石。
• listen()：让 Socket 进入「监听」模式，准备接受连接请求。注意，只有"打电话"（TCP）才需要这个，"寄明信片"（UDP）用不着。
• accept()：从等待队列里拿出一个连接，返回一个新的 Socket 描述符。这是 TCP 服务器端最关键的一步。
• connect()：发起连接。对 TCP 来说是三次握手的开始；对 UDP 来说，它只是设置了一个默认的目标地址（给明信片写死了收件人），方便后续直接用 send()。

在内核代码里（net/socket.c），所有的这些系统调用最终都会汇聚到 socketcall() 方法中进行统一分发。

本书的重点是内核网络实现，而不是用户空间的 API 用法指南。所以，关于如何写一个 connect() 循环或者如何处理 EINTR 错误码，我们不会展开。

内核里的 Socket 是什么？

仅仅知道这些 API 怎么调用，离真正搞懂网络子系统还有十万八千里。

真正的麻烦藏在内核里。当你在用户空间调用 socket() 时，内核并没有像打开普通文件那样只创建一个 inode，而是精心策划了一场"分裂"：它同时创建了两样东西——struct socket 和 struct sock。

这两个名字长得像双胞胎，但完全是两个物种。为什么要这么设计？把它们合并了不行吗？

如果你觉得这个设计有点奇怪，那你的直觉是对的。这背后隐藏着 Linux 网络栈最核心的分层哲学。下一节，我们将深入源码，把这对"双胞胎"放在手术台上解剖，顺便看一下 struct msghdr——它是用户空间和内核之间交换数据时的"旅行箱"。