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cn_proc demo 中创建一个 netlink socket 背后的内核行为

前言​

本文中对 netlink socket 建立过程中的 socket 系统调用对应内核中的行为进行了分析，它围绕用户态程序中的如下代码展开：

    nl_sock = socket(PF_NETLINK, SOCK_DGRAM, NETLINK_CONNECTOR);

上述代码旨在创建一个 NETLINK socket，从字面意义上其实可以看出来是对 socket 的一种限定，可以将 netlink socket 看做是 socket 的一种子类。

socket 系统调用的两个主要过程​

socket 系统调用的主要有两个过程：

  1. 调用 sock_create 创建一个 socket 结构
  2. 调用 sock_map_fd 将 socket 映射为一个文件描述符（与标准的 read、write 等系统调用兼容）

这里我只讲讲 sock_create 函数的关键过程。

sock_create 函数的参数​

首先，看看这里的调用 sock_create 传入的参数，内核函数调用代码如下：

    retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);

对应上面的 demo，family 为 PF_NETLINK，protocol 为 NETLINK_CONNECTOR。

sock_create 函数的主要执行过程​

sock_create 函数的主要过程如下：

  1. 调用 sock_alloc 函数创建一个 socket
  2. 调用 net_families 结构体表中 PF_NETLINK 项目的 create 函数，创建与 netlink 协议相关的数据结构

sock_alloc 通过调用 sock_alloc_inode 从 sock_inode_cache 中分配一个 struct socket_alloc 结构体内容，此结构体定义如下：

struct socket_alloc {
    struct socket socket;
    struct inode vfs_inode;
};

可以看到它由一个 socket 结构体与一个 inode 结构体组成，这里调用到 sock_alloc_inode 之前已经预先挂载了一个 sock_fs_type 类型的虚拟文件系统，这个虚拟文件系统的 mount 函数为 sockfs_mount，它通过 mount_pseudo_xattr 注册了一个名为 "socket:" 的文件系统，并将 super_operations 设置为 sockfs_ops 结构体， sockfs_ops 结构体内容如下：

static const struct super_operations sockfs_ops = {
    .alloc_inode    = sock_alloc_inode,
    .destroy_inode  = sock_destroy_inode,
    .statfs     = simple_statfs,
};

sock_alloc 中实际是通过调用 sockfs_ops 中的 sock_alloc_inode 函数从 sock_inode_cachep slab 中申请空间的。

pf->create 函数调用​

sock_create 函数完成了一个 socket 结构体的创建后，它会根据 family 中指定的协议族类型，来调用 net_proto_family ops 中的 create 函数。

netlink 的 net_proto_family ops 结构体定义如下：

 static const struct net_proto_family netlink_family_ops = {
    .family = PF_NETLINK,
    .create = netlink_create,
    .owner  = THIS_MODULE,  /* for consistency 8) */
};

netlink_create 函数通过调用 sk_alloc 来创建一个 netlink_sock 结构体，netlink_sock 结构体的第一个字段是 struct sock 结构体，这意味着可以很方便的使用指针强转来将一个 netlink_sock 结构体转化为一个 sock 结构体。

函数调用代码如下：

    sk = sk_alloc(net, PF_NETLINK, GFP_KERNEL, &netlink_proto, kern);

值得注意的是 sk_alloc 函数并不使用 netlink_create 中的 protocol 参数，它额外使用了一个 netlink_proto 结构体，结构体内容如下：

static struct proto netlink_proto = {
    .name     = "NETLINK",
    .owner    = THIS_MODULE,
    .obj_size = sizeof(struct netlink_sock),
};

这里的 obj_size 指定了申请的 sock 结构体的大小，它是整个 netlink_sock 结构体的大小，这个参数在未使用 proto->slab 的情况下传递给 kmalloc 函数使用。

sk_alloc 中完成了创建一个 sock 结构体后它会调用 sock_net_set 函数设定 sock 结构体中的 sk_net 字段的值。

sock 结构体重要字段初始化​

完成了 sock 结构体的创建后，__netlink_create 函数调用 sock_init_data 来初始化其中的一些重要的字段，在这个函数中完成 socket 与 sock 结构体指针的互指，在这一步完成后，我们就能够通过 socket 结构体访问到 sock 结构体，同时也能够通过 sock 结构体访问到 socket 结构体。

其它字段的初始化就不进一步描述了。

protocol 参数的使用​

__netlink_create 函数中的一个关键的操作是设定 sock 结构体中的 sk_protocol 字段，这个字段的值由边界检查后的 protocol 值填充，是非常重要的一个字段，它在 bind 的时候会使用到！！

相关的代码如下：

    sk->sk_protocol = protocol;

执行完成 netlink family_ops 中的 create 函数调用后，socket 系统调用通过 sock_map_fd 将 sock 结构映射到一个文件描述符上，然后将描述符返回，至此 socket 系统调用完成。