初识Socket #
Socket对初学者来说可能有点神秘，像个黑盒子。本文将从零开始，用一个简单的比喻解释socket是什么，以及它在网络编程中的原理和内核实现。
想象一个插头和插座。插头插入插座后，电器就能与电源连接，获得电力。Socket在网络编程中就像这个插座，英文也叫socket，它让两台电脑的进程建立“连接”，就像插头插进插座。
通过socket，我们的程序可以与远程电脑通信，就像风扇通过插座获得电力。
Socket的使用场景 #
假设你想从电脑A的某个进程发送数据到电脑B的某个进程。你需要选择传输方式：
- TCP：可靠传输，确保数据到达，适合需要高可靠性的场景。
- UDP：不可靠传输，速度快但可能丢包，适合实时性要求高的场景。
初学者通常先学TCP。我们以TCP为例，看看socket怎么用：
int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, IPPROTO_TCP);
这行代码创建一个TCP socket，返回一个文件描述符sock_fd，类似于socket的“身份证号”。
- 服务端：用
bind()绑定IP和端口，listen()监听连接，accept()接受客户端请求。 - 客户端：用
connect()向服务端发起连接，触发TCP三次握手。
连接建立后，客户端用send()发送数据，服务端用recv()接收数据，反之亦然。这就是socket最常见的用法。
Socket的设计原理 #
Socket到底是怎么实现的？假设我们要从头设计一个网络传输功能，会怎么做？
网络传输的核心是发送和接收数据，类似文件的读和写。但有两个问题需要解决：
- 区分通信双方：用IP地址定位电脑，用端口定位进程。
- 支持多种协议：如TCP（可靠）、UDP（不可靠）或ICMP（ping命令）。
为此，Linux内核定义了一个核心数据结构：sock。
Sock结构 #
sock是网络传输的基础结构，包含发送和接收数据的缓冲区。为了支持不同协议，Linux设计了以下结构：
inet_sock：用于网络传输的sock，增加了IP、端口、TTL等字段。inet_connection_sock：面向连接的sock，增加了TCP特有的字段，如accept队列、数据分片大小等。tcp_sock：专为TCP协议设计的sock，包含滑动窗口、拥塞控制等功能。udp_sock：专为UDP协议设计的sock。
这些结构通过“继承”复用公共功能。不同协议的sock与网卡硬件对接，实现网络通信。
Socket层 #
网络传输功能在内核中实现，需要高权限操作硬件。为让用户程序也能使用，Linux将sock封装成文件，每个sock对应一个文件描述符sock_fd。用户通过socket()创建sock时，内核同时创建一个文件，用户用send()、recv()等接口操作这个文件，实际驱动内核的sock完成网络通信。
Socket本质是一个接口层，介于用户程序和内核之间，封装了复杂的网络功能，提供了简单接口，如send()、recv()、bind()等。
这就像前后端分离：内核是“后端”，提供网络传输的API；用户程序是“前端”，调用这些API实现功能。
Socket如何实现网络通信 #
以TCP为例，网络通信分为建立连接和数据传输两阶段。
建立连接 #
客户端调用connect(sock_fd, "ip:port")，通过sock_fd找到内核sock，发起TCP三次握手。
服务端调用listen()创建半连接队列（未完成三次握手的连接）和全连接队列（完成握手的连接）。调用accept()从全连接队列取一个连接。
数据传输 #
sock结构包含发送缓冲区和接收缓冲区（本质是链表）。
- 发送数据：调用
send()，数据放入发送缓冲区，内核决定何时发送。 - 接收数据：数据到达内核后存入接收缓冲区，等待程序调用
recv()取出。
如果recv()时没有数据，进程会进入等待队列并休眠。数据到达时，内核唤醒等待队列中的进程处理数据。
多进程监听问题：多个进程监听同一sock_fd时，数据到来会触发惊群效应（Linux 2.6前唤醒所有进程，2.6后只唤醒一个）。
区分客户端：服务端用四元组（源IP、源端口、目的IP、目的端口）生成hash key，存入hash表，区分多个客户端。
C语言如何实现“继承” #
Linux内核用C语言实现，C没有继承特性。Linux通过结构体嵌套模拟继承：
struct tcp_sock {
struct inet_connection_sock inet_conn; // 父结构放首位
// 其他字段
};
struct inet_connection_sock {
struct inet_sock icsk_inet; // 父结构放首位
// 其他字段
};
通过内存地址强转，将父结构转为子结构，实现类似继承的效果。
struct tcp_sock *tcp_sk(const struct sock *sk) {
return (struct tcp_sock *)sk;
}
总结 #
- Socket：中文“套接字”，可理解为一套用于连接的数字（
sock_fd）。 - Sock：内核中的网络传输结构，分为
sock、inet_sock、tcp_sock等，支持不同协议。 - Socket层：用户空间和内核之间的接口层，封装sock为文件，用户通过
sock_fd操作内核网络功能。 - 通信过程：通过三次握手建立连接，用发送/接收缓冲区传输数据，用四元组区分客户端。
- 继承实现：C语言通过结构体嵌套和内存地址转换模拟继承。
Socket让网络编程变得简单，就像插座让电器使用电力一样方便！