【C语言】socketpair 的系统调用

一、 Linux 内核 4.19socketpair 的系统调用

SYSCALL_DEFINE4(socketpair, int, family, int, type, int, protocol,
        int __user *, usockvec)
{
    return __sys_socketpair(family, type, protocol, usockvec);
}

这段代码定义了一个名为 socketpair 的系统调用。系统调用是操作系统提供给用户程序的接口，允许用户程序请求内核提供的服务。下面解读这段代码：
1. 宏定义 SYSCALL_DEFINE4: 它是一个预处理器宏，用来定义一个带有四个参数的系统调用接口。这个宏展开后，会生成向操作系统注册 socketpair 系统调用所需的所有内核代码。
2. 参数 int, family: 定义了 socket 对的域，这表示网络通信的域。比如 AF_INET 用于 IPv4 通信，`AF_UNIX` 用于本地进程间通信。这个参数告诉内核应当使用哪种网络协议族来创建 socket 对。
3. 参数 int, type: 定义了 socket 对的类型。`SOCK_STREAM` 表示提供序列化的、可靠的、双向的、基于连接的字节流（类似 TCP）。`SOCK_DGRAM` 表示数据报文，用于无连接的消息传递（类似 UDP）。
4. 参数 int, protocol: 表明使用哪种具体的协议。通常情况下，当 family 和 type 已经确定时，`protocol` 可以被设置为 0 来自动选择默认协议。
5. 参数 int __user *, usockvec: 这是一个用户空间的整型数组指针，用来存放内核返回的两个 socket 文件描述符。这里的 __user 是一个类型说明符，用于标示该指针指向的是用户空间的内存，这是为了在内核空间和用户空间中传递数据而使用的一种安全措施。
函数体仅包含了一行代码，它直接调用了 __sys_socketpair 函数，这个函数是真正完成工作的内部函数。它接收上面的四个参数，创建一对相互连接的套接字（sockets），并将文件描述符通过 usockvec 返回给用户空间的程序。
该 socketpair 系统调用与 C 语言中的 socketpair 函数有直接关系。在用户空间编程中，当调用标准的 C 语言库函数 socketpair() 时，该库函数最终会使用一个系统调用来与内核通信，请求创建 socket 对。对于用户程序而言，`socketpair()` 函数是与 socketpair 系统调用的接口。C 函数只是内部对系统调用转换为用户空间的库函数调用，实际的工作是在内核中完成的。因此，这段代码是 socketpair 用户空间函数背后的内核实现。

二、linux内核4.9中的 __sys_socketpair函数

/*
 *	Create a pair of connected sockets.
 */

int __sys_socketpair(int family, int type, int protocol, int __user *usockvec)
{
    struct socket *sock1, *sock2; // 定义两个socket结构体指针
    int fd1, fd2, err; // 分别用于存储文件描述符和错误码
    struct file *newfile1, *newfile2; // 对应两个socket的文件结构体指针
    int flags; // 标志位变量

    // 提取标志位并检查是否包含非法标志
    flags = type & ~SOCK_TYPE_MASK;
    if (flags & ~(SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK))
        return -EINVAL;
    type &= SOCK_TYPE_MASK; // 保留有效的socket类型
    
    // 如果SOCK_NONBLOCK不与O_NONBLOCK相等，并且flags包含SOCK_NONBLOCK，则替换为O_NONBLOCK
    if (SOCK_NONBLOCK != O_NONBLOCK && (flags & SOCK_NONBLOCK))
        flags = (flags & ~SOCK_NONBLOCK) | O_NONBLOCK;

    // 获取未用的文件描述符fd1
    fd1 = get_unused_fd_flags(flags);
    if (unlikely(fd1 < 0)) // 如果获取失败，返回错误码
        return fd1;

    // 获取未用的文件描述符fd2
    fd2 = get_unused_fd_flags(flags);
    if (unlikely(fd2 < 0)) { // 如果获取失败，清理fd1并返回错误码
        put_unused_fd(fd1);
        return fd2;
    }

    // 将文件描述符拷贝到用户空间
    err = put_user(fd1, &usockvec[0]);
    if (err) // 如果拷贝出错，跳转到错误处理
        goto out;

    err = put_user(fd2, &usockvec[1]);
    if (err) // 如果拷贝出错，跳转到错误处理
        goto out;

    // 创建第一个socket
    err = sock_create(family, type, protocol, &sock1);
    if (unlikely(err < 0)) // 如果创建失败，跳转到错误处理
        goto out;

    // 创建第二个socket
    err = sock_create(family, type, protocol, &sock2);
    if (unlikely(err < 0)) { // 如果创建失败，释放第一个socket并跳转到错误处理
        sock_release(sock1);
        goto out;
    }

    // 检查安全性限制
    err = security_socket_socketpair(sock1, sock2);
    if (unlikely(err)) { // 如果检查失败，释放两个socket并跳转到错误处理
        sock_release(sock2);
        sock_release(sock1);
        goto out;
    }

    // 使用socket操作集连接两个socket
    err = sock1->ops->socketpair(sock1, sock2);
    if (unlikely(err < 0)) { // 如果操作失败，释放两个socket并跳转到错误处理
        sock_release(sock2);
        sock_release(sock1);
        goto out;
    }

    // 为两个socket分配文件结构体
    newfile1 = sock_alloc_file(sock1, flags, NULL);
    if (IS_ERR(newfile1)) { // 如果分配失败，保存错误码，释放第二个socket，跳转到错误处理
        err = PTR_ERR(newfile1);
        sock_release(sock2);
        goto out;
    }

    newfile2 = sock_alloc_file(sock2, flags, NULL);
    if (IS_ERR(newfile2)) { // 如果分配失败，保存错误码，释放第一个文件结构体，跳转到错误处理
        err = PTR_ERR(newfile2);
        fput(newfile1);
        goto out;
    }

    // 记录审计信息
    audit_fd_pair(fd1, fd2);

    // 安装两个文件描述符
    fd_install(fd1, newfile1);
    fd_install(fd2, newfile2);
    return 0; // 操作成功，返回0

out: // 错误处理部分
    put_unused_fd(fd2); // 释放第二个文件描述符
    put_unused_fd(fd1); // 释放第一个文件描述符
    return err; // 返回错误码
}

这段代码是Linux内核中负责创建socket对（两个相互连接的socket）的系统调用`__sys_socketpair`的实现。下面是解读：
1. 定义了一些变量，包括两个socket结构体指针`sock1`和`sock2`，两个文件描述符`fd1`和`fd2`，一个错误码`err`，以及一个`newfile1`和`newfile2`文件结构体指针。
2. 通过`type & ~SOCK_TYPE_MASK`提取标志位，并检查是否有除了`SOCK_CLOEXEC`和`SOCK_NONBLOCK`之外的未知标志位，如果有，则返回错误`-EINVAL`。
3. 然后，将`type`限制为仅包含有效的socket类型。
4. 如果`SOCK_NONBLOCK`标志和`O_NONBLOCK`不是同一个值，并且`flags`中有`SOCK_NONBLOCK`，则替换为`O_NONBLOCK`标志。
5. 调用`get_unused_fd_flags`获取两个未使用的文件描述符`fd1`和`fd2`，如果获取失败，则返回对应的错误码。
6. 使用`put_user`功能将两个文件描述符复制到用户空间指定的数组。
7. 使用`sock_create`函数创建两个新的socket，如果这一步或者之后的步骤出错，则会进行清理并返回错误码。
8. 检查安全性相关的问题，如果`security_socket_socketpair`返回错误，则释放socket资源并跳转到错误处理。
9. 使用socket的操作集中的`socketpair`函数连接这两个socket，如果出错，则释放socket资源并跳转到错误处理。
10. 分别为这两个socket分配文件结构体`newfile1`和`newfile2`，这些文件结构体可以在文件系统中表示一个打开的文件。
11. 如果在分配文件结构体过程中出现错误，将错误保存在`err`中，并释放相应资源，然后跳转到错误处理。
12. 使用`audit_fd_pair`记录审计信息。
13. 使用`fd_install`将新的文件结构体安装到之前获取的文件描述符上，这使得这两个文件描述符实际上指向两个连接的socket。
14. 如果代码执行成功地到达这里，就返回0，表示socket对创建成功。
15. 如果在标签`out`下执行，表明过程中出现了错误，需要清理资源并放回未使用的文件描述符，然后返回错误码。

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