socket API 实现（五）—— connect 函数

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概述

通常在 CS 通信模式中，服务端通过 socket->bind->listen->accept 流程开始监听客户 端的连接。而在客户端则是通过 socket->connect 流程来建立和服务端的连接。我们在 前面的文章中已经分析过服务器端使用到的 4 个 API，这篇文章开始我们将会分析客户端 用到的 API。

首先要分析的第一个 API 是 connect，因为客户端创建 socket 的函数和服务端是一个 样的，都是使用 socket 函数。connect 函数的原型如下：

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int connect(int sockfd, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);

其中 sockfd 是客户端建立的 socket，addr 参数是服务端的地址，addrlen 则是服 务端地址的长度。下面分析 connect API 的具体实现。

图解

下图是 connect 函数的函数调用关系图，这里之列出重要的函数，其中带有 * 表示是 通过函数指针间接引用

apiconnect

详细说明

connect API 的实现可能是目前位置见过最复杂的，因为前面的 API 无论是 socket, bind, listen 还是 accept 基本生都是只涉及到本机的数据结构设置。而 connect API 的实现则涉及到服务器端和客户端的通信，也就是 3 次握手的具体实现。涉及到数据发送 则不可避免的涉及到 IP 层的相关处理，因此内容非常的多。

这篇文章主要讲解 connect 的实现逻辑，至于涉及到的 3 次握手的具体实现和 IP 层处 理在后面的文章中再讲解。

哈希表 ——

在 socket API 实现（二）—— bind 函数 一文中我们提到在内核中有一个哈希 结构包含三个不同的哈希表用来索引不同的状态的 sock 结构，这个哈希结构就是 inet_hashinfo。它包含的三个哈希表中，bhash 用来存放绑定了本地地址的 sock， listening_hash 用来存放处于监听状态 sock 结构，而 TCP_ESTABLISHED <= sk->sk_state < TCP_CLOSE 的 sock 就是存放在最后一个哈希表 ehash 中。

在上图的 inet_hash_connect 函数有两个功能，第一个就是给 socket 分配端口，这个 我们在 socket API 实现（二）—— bind 函数 一文的 “端口选择” 一节中有提 到具体的方法。第二个功能就是把这个 sock 加入到 ehash 哈希表中。

SYN 包的构建和发送

connect 函数开始了三次握手中的第一次握手，也就是 SYN 包的发送，这个工作是 tcp_connect 完成的。它主要完成以下几件事情：

  1. 调用 alloc_skb_fclone 分配新的包的空间。任何数据包都是通过 sk_buff 结构 来表示的，通常我们称之为 SKB，alloc_skb_fclone 的空间分配其实也是分为两部 分的：分配 sk_buff 本身的结构体信息，它相当于是这个数据断的元数据（meta）也 就是数据的描述和控制信息；分配 data 空间，用于存放具体的数据（其实还包括一个 skb_shared_info 的空间，暂时不知道它的作用是什么）。

  2. 初始化各类控制信息。主要是调用 tcp_init_nondata_skb 初始化 TCP_SKB_CB 中的 字段以及在 sock 中的相关字段。

  3. 调用 __tcp_add_write_queue_tail 把 SYN 包放入到 sock 的发送队列中去，也就 是 sk_write_queue 队列。

  4. 调用 tcp_transmit_skb 把数据发送出去。

等待链接

和 socket API 实现（四）—— accept 函数 中提到的 accept 函数一样，其 实 connect 函数需要等待连接完成。因为连接的建立中间涉及到 3 次握手的完成，所以 connect 函数并不会在发送完成 SYN 包之后就立即返回，而是调用 inet_wait_for_connect 函数进入等待状态。和 socket API 实现（四）—— accept 函 数 中提到的 accept 一样，当前进程会进入 sk->sk_sleep 这个等待队列 等待连接建立完成，不同的是对于 accept 来说 sk->sk_sleep 里面的进程在等待连接的 到来，而对于 connect 来说 sk->sk_sleep 中的进程等待连接的完成。对于同一个 socket 来说这两个状态不可能同时出现（不可能在 connect 的同时会 accept），所以使 用同一个等待队列不会出现问题。关于这个等待队列的初始化可以查看 socket API 实现 （四）—— accept 函数 一文的等待队列一小节。