socket API 实现（四）—— accept 函数

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注：本文基于 2.6.32 版本的内核

概述

正常的 socket 编程函数调用顺序一般是 socket -> bind -> listen -> accept。我们在前面的文章中分析了前面三个函数，现在我们分析第四个函数 accept。

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accept(server_fd, (struct sockaddr *))&client_addr, client_len);

这个函数在 socket 开始监听之后调用，如果成功接受链接请求，则返回新的客户端 socket 文件描述符，并把客户端的地址放入到 client_addr 表示的地址中去。

我们将在这篇博文中详细的讲解 accept 函数在内核内部的处理流程。

图解

按照惯例，我们首先给出函数调用关系的图解，带 * 表示这个函数是通过函数指针简介引用：

accept 系统调用 accept 系统调用

重点函数说明

accept 实际使用到系统调用是 sys_accept4，它首先创建一个新的 socket 结构（ sock_alloc）以及 file 结构和新的文件描述符（sock_alloc_fd），之后设置 socket 结构和 file 结构的相互引用（sock_attach_fd）。在函数的最后调用 fd_install 使 得 fd 绑定 file 结构。这些函数的功能在 socket API 实现（一）—— socket 函数 一文中就已经讲解过了。这里不在重复。

sys_accept4 最主要的操作是调用 inet_accept 进而调用 inet_csk_accept 等待连 接的到来，然后返回新连接的 sock 结构。

等待连接的到来这个操作是通过调用 inet_csk_wait_for_connect 这个函数来完成的， 它使用到的工具就是 “wait queue”。

等待队列

“wait queue” 在实现中主要涉及两个结构。wait_queue_head_t 用来代表一个等待队列 以及 wait_queue_t 用来代表一个等待的进程。

在每一个 sock 结构中都有一个 wait_queue_head_t 类型的字段 sk_sleep 用来表示 在这个 sock 上等待事件发生。比如对于服务器的 sock 来说，它等待连接的到来。

sock 中的 sk_sleep 在 sock_init_data 函数（socket API 实现（一）—— socket 函数）中有如下初始化：

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sk->sk_sleep	=	&sock->wait;

也就是说，其实 sock 结构的等待队列其实就是 socket 结构的 wait 字段。而 socket 结构的 wait 字段在 socket 的创建过程函数 sock_alloc_inode 中初始化的：

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static struct inode *sock_alloc_inode(struct super_block *sb)
{
    struct socket_alloc *ei;

    ei = kmem_cache_alloc(sock_inode_cachep, GFP_KERNEL);
    if (!ei)
        return NULL;
    init_waitqueue_head(&ei->socket.wait);   <--

    return &ei->vfs_inode;
}

在 inet_csk_wait_for_connect 函数中，调用了 prepare_to_wait_exclusive 把当前 的进程加入到 sock 的 sleep 队列中。然后使用 schedule_timeout 来设置超时定时器 。

在系统中会有定时的时间中断，定时器的原来就是通过记录中断次数知道已经过去来多长时 间。关于定时器到更多讲解请参考 《Linux Kernel Development》第三版中的第十一章。

schedule_timeout 最终会在设置定时器之后调用 schedule 函数选择其他的进程运行 ，而当前的进程则会进入睡眠。这也是为什么我在函数调用图的中间插入了一条分割线的原 因。

连接队列

我们在 socket API 实现（三）—— listen 函数 一文中有提到过， listen 会创建 sock 的连接队列，它分为全连接队列和半连接队列。当连接建立好了之后 半连接状态到 request_sock 就会被移到全连接队列中。对于 tcp_sock 来说，这个连 接队列是 inet_connection_sock 的 icsk_accept_queue 字段，它是 request_sock_queue 类型，其定义如下：

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struct request_sock_queue {
    struct request_sock	*rskq_accept_head;
    struct request_sock	*rskq_accept_tail;
    ......
    struct listen_sock	*listen_opt;
};

rskq_accept_head 就是全连接队列到头部，而 listen_opt 是管理半连接状态请求的 结构。如果连接建立成功，一个连接请求将会从 listen_opt 的相关字段中移到 rskq_accept_head 指向的队列中。

在 accept 的函数调用图中的 reqsk_queue_get_child 函数就是在有连接到来（ rskq_accept_head 队列不空）之后从全连接队列中取出一个连接请求 request_sock， 其定义如下：

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struct request_sock {
    struct request_sock		*dl_next; /* Must be first member! */
    ......
    struct sock			*sk;
    ......
};

这个结构体中的 dl_next 字段用来链接所有的请求，而代表单个请求的 sock 结构放在 sk 字段中。这个字段最终会被当成返回值传递给 inet_accept 函数，并通过 sock_graft 函数设置好新的 socket 和新的 sock 结构之间到相互引用关系。

地址设置

最终函数返回到 sys_accept4 中，调用 inet_getname 得到地址，其实也就是读取 sock 结构中的相应值而已。读取完地址之后通过 move_addr_to_user 把地址返回到用户 空间。

总结

其实 accept 的作用就是有新的客户端连接到来的时候创建一个新的 socket 而已。 sys_accept4 首先创建好 socket 结构，file 结构，并分配好文件描述符。之后获 取 socket 结构对应的 sock 结构。形成一个完整的 socket 结构之后把 socket 文件 描述符返回用户空间，这样服务器就可以通过这个新的 socket 和客户端进行通信了。