socket的accept函数解析

今天与同学争执一个话题：由于socket的accept函数在有客户端连接的时候产生了新的socket用于服务该客户端，那么，这个新的socket到底有没有占用一个新的端口？

讨论完后，才发现，自己虽然熟悉socket的编程套路，但是却并不是那么清楚socket的原理，今天就趁这个机会，把有关socket编程的几个疑问给搞清楚吧。

先给出一个典型的TCP/IP通信示意图。

问题一：socket结构体对象究竟是怎样定义的？

我们知道，在使用socket编程之前，需要调用socket函数创建一个socket对象，该函数返回该socket对象的描述符。

1. 函数原型：int socket(int domain, int type, int protocol);

那么，这个socket对象究竟是怎么定义的呢？它记录了哪些信息呢？只记录了本机IP及端口、还是目的IP及端口、或者都记录了？

关于这个问题，大家可以在内核源码里面找，也可以参考这篇文章《struct socket 结构详解》，我们可以看到 socket  结构体的定义如下：

1. struct socket
2. {
3. socket_state              state;
4. unsigned long             flags;
5. const struct proto_ops    *ops;
6. struct fasync_struct      *fasync_list;
7. struct file               *file;
8. struct sock               *sk;
9. wait_queue_head_t         wait;
10. short                     type;
11. };

其中，struct sock 包含有一个 sock_common 结构体，而sock_common结构体又包含有struct inet_sock 结构体，而struct inet_sock 结构体的部分定义如下：

1. struct inet_sock
2. {
3. struct sock     sk;
4. #if defined(CONFIG_IPV6) || defined(CONFIG_IPV6_MODULE)
5. struct ipv6_pinfo   *pinet6;
6. #endif
7. __u32           daddr;          //IPv4的目的地址。
8. __u32           rcv_saddr;      //IPv4的本地接收地址。
9. __u16           dport;          //目的端口。
10. __u16           num;            //本地端口（主机字节序）。
11. …………
12. }

由此，我们清楚了，socket结构体不仅仅记录了本地的IP和端口号，还记录了目的IP和端口。

问题二：connect函数究竟做了些什么操作？

在TCP客户端，首先调用一个socket()函数，得到一个socket描述符socketfd，然后通过connect函数对服务器进行连接，连接成功后，就可以利用这个socketfd描述符使用send/recv函数收发数据了。

关于connect函数和send函数的原型如下：

1. int connect( int sockfd, const struct sockaddr* server_addr, socklen_t addrlen)
2. int send( int sockfd, const void *msg,int len,int flags);

那么，现在的困惑是，为什么send函数仅仅传入sockfd就可以知道服务器的ip和端口号？

其实，由“问题一”中的答案我们已经很清楚了，sockfd 描述符所描述的socket对象不仅包含了本地IP和端口，同时也包含了服务器的IP和端口，这样，才能使得send函数只需要传入sockfd 即可知道该把数据发向什么地方。而代码中，目的IP和端口只是在connect函数中出现过，因此，肯定是connect函数在成功建立连接后，将目的IP和端口写入了sockfd 描述符所描述的socket对象中。

问题三： accept函数产生的socket有没有占用新的端口？

首先，回顾一下accept函数，原型如下：

1. int accept(int sockfd, struct sockaddr* addr, socklen_t* len)

accept函数主要用于服务器端，一般位于listen函数之后，默认会阻塞进程，直到有一个客户请求连接，建立好连接后，它返回的一个新的套接字 socketfd_new ，此后，服务器端即可使用这个新的套接字socketfd_new与该客户端进行通信，而sockfd 则继续用于监听其他客户端的连接请求。

至此，我的困惑产生了，这个新的套接字 socketfd_new 与监听套接字sockfd 是什么关系？它所代表的socket对象包含了哪些信息？socketfd_new 是否占用了新的端口与客户端通信？

先简单分析一番，由于网站的服务器也是一种TCP服务器，使用的是80端口，并不会因客户端的连接而产生新的端口给客户端服务，该客户端依然是向服务器端的80端口发送数据，其他客户端依然向80端口申请连接。因此，可以判断，socketfd_new 并没有占用新的端口与客户端通信，依然使用的是与监听套接字socketfd_new一样的端口号。

那这么说，难道一个端口可以被两个socket对象绑定？当客户端发送数据过来的时候，究竟是与哪一个socket对象通信呢？
 
    我是这么理解的（欢迎拍砖）。

首先，一个端口肯定只能绑定一个socket。我认为，服务器端的端口在bind的时候已经绑定到了监听套接字socetfd所描述的对象上，accept函数新创建的socket对象其实并没有进行端口的占有，而是复制了socetfd的本地IP和端口号，并且记录了连接过来的客户端的IP和端口号。

那么，当客户端发送数据过来的时候，究竟是与哪一个socket对象通信呢？

客户端发送过来的数据可以分为2种，一种是连接请求，一种是已经建立好连接后的数据传输。

由于TCP/IP协议栈是维护着一个接收和发送缓冲区的。在接收到来自客户端的数据包后，服务器端的TCP/IP协议栈应该会做如下处理：如果收到的是请求连接的数据包，则传给监听着连接请求端口的socetfd套接字，进行accept处理；如果是已经建立过连接后的客户端数据包，则将数据放入接收缓冲区。这样，当服务器端需要读取指定客户端的数据时，则可以利用socketfd_new 套接字通过recv或者read函数到缓冲区里面去取指定的数据（因为socketfd_new代表的socket对象记录了客户端IP和端口，因此可以鉴别）。

这就是我对socket编程的一些疑问的理解，有不正确的地方欢迎留言或者来信lujun.hust@gmail.com交流。