unix文件描述符—

在unix系统中，socket和普通文件一样对待，因为它可以像普通文件一样被读和写，但是它还有一些自己独特的特点，例如，文件的读写位置可以设置，但是socket只能被顺序的读写等等，那么在unix系统中，是如何实现这种方式的呢？

如下图，其中有以下重要数据结构：proc、filedesc、file等，对这些重要数据结构及其之间的关系弄清楚之后，上面的问题自然就有答案了。在本文介绍中，使用的操作系统源码为：4.4bsd-lite版本，该版本是《TCP/IP协议卷2——实现》一书使用的源码，同时该源码相对于目前使用的linux操作系统来更为小巧、简单，更适合学习。

（1）每个进程在OS中都有一个数据结构（struct filedesc）为之对应，通常称该数据结构为PCB（进程控制块），该数据结构中详细定义了控制该进程所需的全部数据，这里只需重点关注其成员：struct filedesc *p_fd，该成员指向一个文件描述信息的数据结构。struct proc定义在文件4.4BSD-Lite\sys\sys\proc.h中，详细定义如下：

struct   proc {struct    proc *p_forw;       /* Doubly-linked run/sleep queue. */struct  proc *p_back;struct proc *p_next;       /* Linked list of active procs */struct proc **p_prev;      /*    and zombies. *//* substructures: */struct pcred *p_cred;      /* Process owner's identity. */struct  filedesc *p_fd;     /* Ptr to open files structure. */struct    pstats *p_stats;    /* Accounting/statistics (PROC ONLY). */struct  plimit *p_limit;    /* Process limits. */struct vmspace *p_vmspace; /* Address space. */struct  sigacts *p_sigacts; /* Signal actions, state (PROC ONLY). */#define p_ucred     p_cred->pc_ucred
#define p_rlimit    p_limit->pl_rlimitint    p_flag;         /* P_* flags. */char    p_stat;         /* S* process status. */char    p_pad1[3];pid_t p_pid;          /* Process identifier. */struct proc *p_hash;    /* Hashed based on p_pid for kill+exit+... */struct  proc *p_pgrpnxt; /* Pointer to next process in process group. */struct  proc *p_pptr;    /* Pointer to process structure of parent. */struct    proc *p_osptr;   /* Pointer to older sibling processes. *//* The following fields are all zeroed upon creation in fork. */
#define p_startzero p_ysptrstruct   proc *p_ysptr;   /* Pointer to younger siblings. */struct   proc *p_cptr;    /* Pointer to youngest living child. */pid_t   p_oppid;     /* Save parent pid during ptrace. XXX */int    p_dupfd;     /* Sideways return value from fdopen. XXX *//* scheduling */u_int  p_estcpu;    /* Time averaged value of p_cpticks. */int p_cpticks;   /* Ticks of cpu time. */fixpt_t    p_pctcpu;    /* %cpu for this process during p_swtime */void    *p_wchan;    /* Sleep address. */char   *p_wmesg;    /* Reason for sleep. */u_int   p_swtime;    /* Time swapped in or out. */u_int p_slptime;   /* Time since last blocked. */struct   itimerval p_realtimer;  /* Alarm timer. */struct    timeval p_rtime;    /* Real time. */u_quad_t p_uticks;      /* Statclock hits in user mode. */u_quad_t p_sticks;        /* Statclock hits in system mode. */u_quad_t p_iticks;      /* Statclock hits processing intr. */int    p_traceflag;        /* Kernel trace points. */struct    vnode *p_tracep;    /* Trace to vnode. */int    p_siglist;      /* Signals arrived but not delivered. */struct  vnode *p_textvp;    /* Vnode of executable. */long  p_spare[5];     /* pad to 256, avoid shifting eproc. *//* End area that is zeroed on creation. */
#define p_endzero   p_startcopy/* The following fields are all copied upon creation in fork. */
#define p_startcopy p_sigmasksigset_t p_sigmask;    /* Current signal mask. */sigset_t p_sigignore; /* Signals being ignored. */sigset_t p_sigcatch;    /* Signals being caught by user. */u_char   p_priority; /* Process priority. */u_char   p_usrpri;   /* User-priority based on p_cpu and p_nice. */char  p_nice;     /* Process "nice" value. */char   p_comm[MAXCOMLEN+1];struct     pgrp *p_pgrp;   /* Pointer to process group. *//* End area that is copied on creation. */
#define p_endcopy   p_threadint p_thread;   /* Id for this "thread"; Mach glue. XXX */struct  user *p_addr;   /* Kernel virtual addr of u-area (PROC ONLY). */struct  mdproc p_md;    /* Any machine-dependent fields. */u_short  p_xstat;    /* Exit status for wait; also stop signal. */u_short    p_acflag;   /* Accounting flags. */struct   rusage *p_ru;   /* Exit information. XXX */};

（2）struct filedesc结构体描述了进程打开的所有的文件信息，这里需要重点关注该结构体的两个数组成员：struct file **fd_ofiles和char *fd_ofileflags（见上图），其中：数组fd_ofiles的每个成员对应一个当前进程打开的文件结构体的地址；数组fd_ofileflags的每个成员对应当前进程打开的一个文件的描述符标志，文件描述符的标志采用bit位表示，因此一个打开的文件共有8个bit位表示8中不同的标志，例如标志close-on-exec和标志mapped-from-device。另外，这两个数组的成员是对应的，即：

fd_ofiles[n]对应打开当前进程打开的第n个文件的文件结构体地址；

fd_ofileflags[n]对应当前进程打开的第n个文件的描述符标志；

struct filedesc的定义在文件4.4BSD-Lite\sys\sys\filedesc.h中，其详细定义如下：

struct filedesc {struct  file **fd_ofiles;   /* file structures for open files */char    *fd_ofileflags;     /* per-process open file flags */struct vnode *fd_cdir;     /* current directory */struct   vnode *fd_rdir;     /* root directory */int fd_nfiles;      /* number of open files allocated */u_short fd_lastfile;        /* high-water mark of fd_ofiles */u_short   fd_freefile;        /* approx. next free file */u_short fd_cmask;       /* mask for file creation */u_short fd_refcnt;      /* reference count */
};

（3）结构体struct file表示当前进程中一个打开的文件，这里将关注其成员short f_type、struct fileops *f_ops和caddr_t f_data。其中：

short f_type表示当前打开文件的类型，在文件4.4BSD-Lite\usr\src\sys\sys\file.h中定义了成员shortf_type的两种类型：

#define DTYPE_VNODE 1 /*file */

#define DTYPE_SOCKET 2 /*communications endpoint */

例如其值为DTYPE_SOCKET表示当前打开的文件是一个socket，值为DTYPE_VNODE表示一个普通的文件等等；

struct fileops *f_ops定义了5个函数指针，它们将根据具体的文件类型（f_type表示文件类型）指向具体的函数，例如当前打开的文件为socket时（f_type值为DTYPE_SOCKET），这5个函数指针将指向以下5个操作socket的函数：soo_read、soo_write、soo_ioctl、soo_select、soo_close，当打开的文件为普通文件时（f_type值为DTYPE_VNODE），这5个函数指针将指向以下5个操作socket的函数：vn_read、vn_write、vn_ioctl、vn_select、vn_close；

caddr_t f_data对应了该打开文件所对应的数据部分，对应vnode或者socket结构体；这里类型caddr_t 实质上是一个char*，其定义为：typedef char * caddr_t;。

struct file定义在文件4.4BSD-Lite\sys\sys\file.h中，其详细定义如下：

struct file {struct  file *f_filef;  /* list of active files */struct    file **f_fileb; /* list of active files */short f_flag;     /* see fcntl.h */
#define DTYPE_VNODE 1   /* file */
#define DTYPE_SOCKET    2   /* communications endpoint */short  f_type;     /* descriptor type */short  f_count;    /* reference count */short  f_msgcount; /* references from message queue */struct   ucred *f_cred;  /* credentials associated with descriptor */struct  fileops {int    (*fo_read)  __P((struct file *fp, struct uio *uio,struct ucred *cred));int  (*fo_write) __P((struct file *fp, struct uio *uio,struct ucred *cred));int  (*fo_ioctl) __P((struct file *fp, int com,caddr_t data, struct proc *p));int    (*fo_select)    __P((struct file *fp, int which,struct proc *p));int    (*fo_close) __P((struct file *fp, struct proc *p));} *f_ops;off_t   f_offset;caddr_t    f_data;     /* vnode or socket */
};

（4）caddr_t f_data表示打开文件的实际数据部分，caddr_t的实际定义类型为char*，当打开的文件类型为普通文件时（f_type值为DTYPE_VNODE），f_data指向了一个struct vnode结构体，当打开的文件类型为socket时（f_type值为DTYPE_SOCKET），f_data指向了一个struct socket结构体，这里只需要先关注short so_type和caddr_t so_pcb两个成员变量，其中：short so_type表示socket类型，例如SOCK_DGRAM表示UDP类型，SOCK_STREAM表示TCP类型；caddr_t so_pcb指向一个协议控制块的双向链表。

socket结构体的定义在文件：4.4BSD-Lite\sys\sys\socketvar.h中，其详细定义为：

struct socket {short so_type;        /* generic type, see socket.h */short   so_options;     /* from socket call, see socket.h */short   so_linger;      /* time to linger while closing */short so_state;       /* internal state flags SS_*, below */caddr_t   so_pcb;         /* protocol control block */struct  protosw *so_proto;  /* protocol handle */
/** Variables for connection queueing.* Socket where accepts occur is so_head in all subsidiary sockets.* If so_head is 0, socket is not related to an accept.* For head socket so_q0 queues partially completed connections,* while so_q is a queue of connections ready to be accepted.* If a connection is aborted and it has so_head set, then* it has to be pulled out of either so_q0 or so_q.* We allow connections to queue up based on current queue lengths* and limit on number of queued connections for this socket.*/struct   socket *so_head;    /* back pointer to accept socket */struct   socket *so_q0;      /* queue of partial connections */struct    socket *so_q;       /* queue of incoming connections */short    so_q0len;       /* partials on so_q0 */short    so_qlen;        /* number of connections on so_q */short    so_qlimit;      /* max number queued connections */short    so_timeo;       /* connection timeout */u_short so_error;       /* error affecting connection */pid_t   so_pgid;        /* pgid for signals */u_long    so_oobmark;     /* chars to oob mark */
/** Variables for socket buffering.*/struct sockbuf {u_long sb_cc;      /* actual chars in buffer */u_long  sb_hiwat;   /* max actual char count */u_long   sb_mbcnt;   /* chars of mbufs used */u_long sb_mbmax;   /* max chars of mbufs to use */long sb_lowat;   /* low water mark */struct  mbuf *sb_mb;    /* the mbuf chain */struct  selinfo sb_sel; /* process selecting read/write */short sb_flags;   /* flags, see below */short sb_timeo;   /* timeout for read/write */} so_rcv, so_snd;
#define SB_MAX      (256*1024)  /* default for max chars in sockbuf */
#define SB_LOCK     0x01        /* lock on data queue */
#define SB_WANT     0x02        /* someone is waiting to lock */
#define SB_WAIT     0x04        /* someone is waiting for data/space */
#define SB_SEL      0x08        /* someone is selecting */
#define SB_ASYNC    0x10        /* ASYNC I/O, need signals */
#define SB_NOTIFY   (SB_WAIT|SB_SEL|SB_ASYNC)
#define SB_NOINTR   0x40        /* operations not interruptible */caddr_t   so_tpcb;        /* Wisc. protocol control block XXX */void  (*so_upcall) __P((struct socket *so, caddr_t arg, int waitf));caddr_t   so_upcallarg;       /* Arg for above */
};

（5）协议控制块caddr_tso_pcb，在socket结构体中，协议控制块是非常核心的数据结构，采用双向链表方式表示，它包含以下成员：前一个inpcb、后一个inpcb、inpcb双向链表的首节点、当前inpcb对应socket的本地IP、本地端口、远端IP、远端端口、当前inpcb对应的socket结构体的地址等等；

每个socket都有一个协议控制块inpub与之对应：可通过socket的so_pcb成员来访问它，同时协议控制块中也有个成员struct socket *inp_socket用于指向自己所属的socket结构体。

在OS中，每种类型的socket有且只有一个inpcb链表与之对应，例如：所有的TCP的socket的inpcb都在同一个TCP的inpcb双向链表中，所有的UDP的socket的inpcb都在同一个UDP的inpcb双向链表中。

在通过socket接收数据时，OS从网卡驱动中拿到数据后，先搜索inpcb的双向链表，通过比对本地ip地址、本地端口号、远端ip地址、远端端口号找到匹配的inpcb，进而找到对应socket，并将数据保存到socket的接收缓存中。

协议控制块struct inp定义在文件4.4BSD-Lite\sys\netinet\in_pcb.h中，其详细定义为：

struct inpcb {struct inpcb *inp_next,*inp_prev;/* pointers to other pcb's */struct  inpcb *inp_head;    /* pointer back to chain of inpcb'sfor this protocol */struct  in_addr inp_faddr;  /* foreign host table entry */u_short   inp_fport;      /* foreign port */struct    in_addr inp_laddr;  /* local host table entry */u_short inp_lport;      /* local port */struct  socket *inp_socket; /* back pointer to socket */caddr_t inp_ppcb;       /* pointer to per-protocol pcb */struct route inp_route;    /* placeholder for routing entry */int  inp_flags;      /* generic IP/datagram flags */struct   ip inp_ip;      /* header prototype; should have more */struct  mbuf *inp_options;  /* IP options */struct  ip_moptions *inp_moptions; /* IP multicast options */
};

unix文件描述符——socket相关推荐

深入理解Linux/Unix文件描述符和epoll
Linux/Unix 文件描述符(File Describer)的本质 Linux/Unix(以下简称Linux)系统中,每个进程都有一个专用的数组,数组的元素是一个结构体,称为文件描述符File D ...
linux unix域socket_从文件描述符到Socket
回顾在上一篇[谈谈我对学习Netty的看法]大致描述了学习netty整个知识的储备,今天就从最基础的文件描述符开始. 文件描述符我们知道在linux系统中一切皆文件,而文件又可分为:普通文件.目录 ...
C语言socket accept()函数（提取出所监听套接字的等待连接队列中第一个连接请求，创建一个新的套接字，并返回指向该套接字的文件描述符）
文章目录名称使用格式功能参数描述参数 sockfd addr addrlen 返回值示例 man 2 文档中的accept解释错误处理名称 accept() 接收一个套接字中已建立的连接 ...
UNIX再学习 -- 文件描述符
在 UNIX/Linux 系统中,一切皆文件,这句话想必都有听过.对于文件的操作几乎适用于所有的设备,这也就看出了文件操作的重要性了.在C语言再学习部分有讲过标准I/O文件操作,参看:C语言再学习 - ...
TCP/UDP网络编程入门教程之二：TCP Server端——socket与文件描述符
UNIX中的一切事物都是文件(everything in Unix is a file!) 当我在这篇教程中提到UNIX的时候,其意思专指符合UNIX标准的所谓"正统"UNIX的衍 ...
socket与文件描述符
在Linux编程时,无论是在操作文件还是网络操作时都能够通过文件描述符来read或者write.之前在没有接触C++的时候,不懂面向对象的那套东西.自从学习了C++以及面向对象的一些知识以后突然对Li ...
socket 编程入门教程（一）TCP server 端：2、socket与文件描述符
UNIX中的一切事物都是文件( everything in Unix is a file!) 当我在这篇教程中提到UNIX的时候,其意思专指符合UNIX标准的所谓"正统"UNIX的 ...
文件描述符与socket连接
文件描述符与socket连接每个进程开启一个soeket连接,都会占用一个文件描述符. 1. 概述在Linux系统中一切皆可以看成是文件,文件又可分为:普通文件.目录文件.链接文件和设备文件. 文 ...
UNIX中文件描述符和文件指针
文件描述符在C程序中,文件由文件指针或者文件描述符表示.ISO C的标准I/0库函数(fopen, fclose, fread, fwrite, fscanf, fprintf等)使用文件指针,UN ...

unix文件描述符——socket

unix文件描述符——socket相关推荐

最新文章

热门文章