我跟面試官聊 TCP 三次握手源碼，他夸我真棒！

大家好，我是小林。

之前我的圖解網(wǎng)絡(luò)系列，寫了很多關(guān)于 TCP 的圖解文章，很多同學(xué)看完后都跟我說，每次面試的時(shí)候，TCP 部分都能聊跨面試官。

但是對于 TCP 三次握手的源碼分析，我還沒寫過。

今天就跟大家來嘮嗑下，TCP 三次握手的源碼，看看他到底做什么?

在后端相關(guān)崗位的入職面試中，三次握手的出場頻率非常的高，甚至說它是必考題也不為過。一般的答案都是說客戶端如何發(fā)起 SYN 握手進(jìn)入 SYN_SENT 狀態(tài)，服務(wù)器響應(yīng) SYN 并回復(fù) SYNACK，然后進(jìn)入 SYN_RECV，...... , 吧啦吧啦諸如此類。

但我今天想給出一份不一樣的答案。其實(shí)三次握手在內(nèi)核的實(shí)現(xiàn)中，并不只是簡單的狀態(tài)的流轉(zhuǎn)，還包括半連接隊(duì)列、syncookie、全連接隊(duì)列、重傳計(jì)時(shí)器等關(guān)鍵操作。如果能深刻理解這些，你對線上把握和理解將更進(jìn)一步。如果有面試官問起你三次握手，相信這份答案一定能幫你在面試官面前贏得非常多的加分。

在基于 TCP 的服務(wù)開發(fā)中，三次握手的主要流程圖如下。

服務(wù)器中的核心代碼是創(chuàng)建 socket，綁定端口，listen 監(jiān)聽，最后 accept 接收客戶端的請求。

//服務(wù)端核心代碼
int?main(int?argc,?char?const?*argv[])
{
?int?fd?=?socket(AF_INET,?SOCK_STREAM,?0);
?bind(fd,?...);
?listen(fd,?128);
?accept(fd,?...);
?...
}
客戶端的相關(guān)代碼是創(chuàng)建 socket，然后調(diào)用 connect 連接 server。

//客戶端核心代碼
int?main(){
?fd?=?socket(AF_INET,SOCK_STREAM,?0);
?connect(fd,?...);
?...
}
圍繞這個(gè)三次握手圖，以及客戶端，服務(wù)端的核心代碼，我們來深度探索一下三次握手過程中的內(nèi)部操作。我們從和三次握手過程關(guān)系比較大的 listen 講起！

友情提示：本文中內(nèi)核源碼會(huì)比較多。如果你能理解的了更好，如果覺得理解起來有困難，那直接重點(diǎn)看本文中的描述性的文字，尤其是加粗部分的即可。另外文章最后有一張總結(jié)圖歸納和整理了全文內(nèi)容。

一、服務(wù)器的 listen

我們都知道，服務(wù)器在開始提供服務(wù)之前都需要先 listen 一下。但 listen 內(nèi)部究竟干了啥，我們平時(shí)很少去琢磨。

今天就讓我們詳細(xì)來看看，直接上一段 listen 時(shí)執(zhí)行到的內(nèi)核代碼。

//file:?net/core/request_sock.c
int?reqsk_queue_alloc(struct?request_sock_queue?*queue,
?????unsigned?int?nr_table_entries)
{
?size_t?lopt_size?=?sizeof(struct?listen_sock);
?struct?listen_sock?*lopt;

?//計(jì)算半連接隊(duì)列的長度
?nr_table_entries?=?min_t(u32,?nr_table_entries,?sysctl_max_syn_backlog);
?nr_table_entries?=?......

?//為半連接隊(duì)列申請內(nèi)存
?lopt_size? =?nr_table_entries?*?sizeof(struct?request_sock?*);
?if?(lopt_size?>?PAGE_SIZE)
??lopt?=?vzalloc(lopt_size);
?else
??lopt?=?kzalloc(lopt_size,?GFP_KERNEL);

?//全連接隊(duì)列頭初始化
?queue->rskq_accept_head?=?NULL;

?//半連接隊(duì)列設(shè)置
?lopt->nr_table_entries?=?nr_table_entries;
?queue->listen_opt?=?lopt;
?......
}
在這段代碼里，內(nèi)核計(jì)算了半連接隊(duì)列的長度。然后據(jù)此算出半連接隊(duì)列所需要的實(shí)際內(nèi)存大小，開始申請用于管理半連接隊(duì)列對象的內(nèi)存（半連接隊(duì)列需要快速查找，所以內(nèi)核是用哈希表來管理半連接隊(duì)列的，具體在 listen_sock 下的 syn_table 下）。最后將半連接隊(duì)列掛到了接收隊(duì)列 queue 上。

另外 queue->rskq_accept_head 代表的是全連接隊(duì)列，它是一個(gè)鏈表的形式。在 listen 這里因?yàn)檫€沒有連接，所以將全連接隊(duì)列頭 queue->rskq_accept_head 設(shè)置成 NULL。

當(dāng)全連接隊(duì)列和半連接隊(duì)列中有元素的時(shí)候，他們在內(nèi)核中的結(jié)構(gòu)圖大致如下。

在服務(wù)器 listen 的時(shí)候，主要是進(jìn)行了全/半連接隊(duì)列的長度限制計(jì)算，以及相關(guān)的內(nèi)存申請和初始化。全/連接隊(duì)列初始化了以后才可以相應(yīng)來自客戶端的握手請求。

二、客戶端 connect

客戶端通過調(diào)用 connect 來發(fā)起連接。在 connect 系統(tǒng)調(diào)用中會(huì)進(jìn)入到內(nèi)核源碼的 tcp_v4_connect。

//file:?net/ipv4/tcp_ipv4.c
int?tcp_v4_connect(struct?sock?*sk,?struct?sockaddr?*uaddr,?int?addr_len)
{
?//設(shè)置?socket?狀態(tài)為?TCP_SYN_SENT
?tcp_set_state(sk,?TCP_SYN_SENT);

?//動(dòng)態(tài)選擇一個(gè)端口
?err?=?inet_hash_connect(