我跟面试官聊 TCP 三次握手源码，他夸我真棒！

大家好，我是小林。

之前我的图解网络系列，写了很多关于 TCP 的图解文章，很多同学看完后都跟我说，每次面试的时候，TCP 部分都能聊跨面试官。

但是对于 TCP 三次握手的源码分析，我还没写过。

今天就跟大家来唠嗑下，TCP 三次握手的源码，看看他到底做什么?

在后端相关岗位的入职面试中，三次握手的出场频率非常的高，甚至说它是必考题也不为过。一般的答案都是说客户端如何发起 SYN 握手进入 SYN_SENT 状态，服务器响应 SYN 并回复 SYNACK，然后进入 SYN_RECV，...... , 吧啦吧啦诸如此类。

但我今天想给出一份不一样的答案。其实三次握手在内核的实现中，并不只是简单的状态的流转，还包括半连接队列、syncookie、全连接队列、重传计时器等关键操作。如果能深刻理解这些，你对线上把握和理解将更进一步。如果有面试官问起你三次握手，相信这份答案一定能帮你在面试官面前赢得非常多的加分。

在基于 TCP 的服务开发中，三次握手的主要流程图如下。

服务器中的核心代码是创建 socket，绑定端口，listen 监听，最后 accept 接收客户端的请求。

//服务端核心代码
int main(int argc, char const *argv[])
{
 int fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
 bind(fd, ...);
 listen(fd, 128);
 accept(fd, ...);
 ...
}
客户端的相关代码是创建 socket，然后调用 connect 连接 server。

//客户端核心代码
int main(){
 fd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM, 0);
 connect(fd, ...);
 ...
}
围绕这个三次握手图，以及客户端，服务端的核心代码，我们来深度探索一下三次握手过程中的内部操作。我们从和三次握手过程关系比较大的 listen 讲起！

友情提示：本文中内核源码会比较多。如果你能理解的了更好，如果觉得理解起来有困难，那直接重点看本文中的描述性的文字，尤其是加粗部分的即可。另外文章最后有一张总结图归纳和整理了全文内容。

一、服务器的 listen

我们都知道，服务器在开始提供服务之前都需要先 listen 一下。但 listen 内部究竟干了啥，我们平时很少去琢磨。

今天就让我们详细来看看，直接上一段 listen 时执行到的内核代码。

//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;

 //计算半连接队列的长度
 nr_table_entries = min_t(u32, nr_table_entries, sysctl_max_syn_backlog);
 nr_table_entries = ......

 //为半连接队列申请内存
 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);

 //全连接队列头初始化
 queue->rskq_accept_head = NULL;

 //半连接队列设置
 lopt->nr_table_entries = nr_table_entries;
 queue->listen_opt = lopt;
 ......
}
在这段代码里，内核计算了半连接队列的长度。然后据此算出半连接队列所需要的实际内存大小，开始申请用于管理半连接队列对象的内存（半连接队列需要快速查找，所以内核是用哈希表来管理半连接队列的，具体在 listen_sock 下的 syn_table 下）。最后将半连接队列挂到了接收队列 queue 上。

另外 queue->rskq_accept_head 代表的是全连接队列，它是一个链表的形式。在 listen 这里因为还没有连接，所以将全连接队列头 queue->rskq_accept_head 设置成 NULL。

当全连接队列和半连接队列中有元素的时候，他们在内核中的结构图大致如下。

在服务器 listen 的时候，主要是进行了全/半连接队列的长度限制计算，以及相关的内存申请和初始化。全/连接队列初始化了以后才可以相应来自客户端的握手请求。

二、客户端 connect

客户端通过调用 connect 来发起连接。在 connect 系统调用中会进入到内核源码的 tcp_v4_connect。

//file: net/ipv4/tcp_ipv4.c
int tcp_v4_connect(struct sock *sk, struct sockaddr *uaddr, int addr_len)
{
 //设置 socket 状态为 TCP_SYN_SENT
 tcp_set_state(sk, TCP_SYN_SENT);

 //动态选择一个端口
 err = inet_hash_connect(