深入Linux网络子系统04：accept如何从全连接队列取出TCP连接

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前言

从监听套接字的全连接队列中取出一个已完成三次握手的连接，返回其对应的套接字；如果队列为空，阻塞等待或非阻塞模式下立即返回-EAGAIN，看似简单的过程也隐藏着一些细节：

1. 监听 socket 和 accept 返回的新 socket 有什么区别？
2. 阻塞与非阻塞模式下 accept 行为有什么差异？
3. accept 参与三次握手吗？

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一、用户态 accept() 基础

1.1 函数原型

#include <sys/socket.h>
int accept(int sockfd, struct sockaddr *addr, socklen_t *addrlen);

参数详解：

• sockfd：监听套接字的文件描述符
• addr：传出参数，存储客户端IP和端口
• addrlen：传入传出参数， 传入 addr 缓冲区大小，调用结束后返回实际地址结构体长度

返回值：成功返回一个新的套接字文件描述符；失败返回-1

重要区分：

1. sockfd： 监听 socket，专门用来接收新连接，不负责收发业务数据
2. 返回的fd：已连接 socket，专门用来和客户端通信，收发数据

1.2 业务层简单示例

// 创建socket
int sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);

struct sockaddr_in serv_addr;
serv_addr.sin_family = AF_INET;
serv_addr.sin_port = htons(8080);
serv_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
// 绑定IP和端口
int ret = bind(sockfd, (struct sockaddr*)&serv_addr, sizeof(serv_addr));

// 打开监听
ret = listen(sockfd, 128);

struct sockaddr_in client_addr;
socklen_t cli_len = sizeof(client_addr);
// 等待客户端连接
int connfd = accept(sockfd, (struct sockaddr*)&client_addr, &cli_len);
// 使用 connfd 与客户端通信

二、accept调用过程

2.1 系统调用入口

关键行为：

1. 根据文件描述符查找监听套接字
2. 分配一个新的套接字（newsock）用于表示客户端的连接
3. 新套接字继承监听套接字的类型（如SOCK_STREAM）和操作函数集
4. 分配一个空闲的文件描述符（newfd），将其与新创建的套接字关联起来
5. 执行协议层的 accept 操作
6. 如果提供了地址缓冲区，获取客户端地址

源码（节选）：

// net/socket.c
SYSCALL_DEFINE4(accept4, int, fd, ......)
{
    struct socket *sock, *newsock;
    struct sockaddr_storage address;
    // 根据文件描述符查找监听套接字
    sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
    // 分配一个新的套接字，表示客户端的连接
    newsock = sock_alloc();
    // 新套接字继承监听套接字的类型（如SOCK_STREAM）和操作函数集
    newsock->type = sock->type;
    newsock->ops = sock->ops;
    // 分配一个空闲的文件描述符，将其与新创建的套接字关联起来
    newfd = get_unused_fd_flags(flags);
    newfile = sock_alloc_file(newsock, flags, sock->sk->sk_prot_creator->name);
    // 实际调用 inet_accept
    sock->ops->accept(sock, newsock, sock->file->f_flags);
    // 获取客户端地址
    if (upeer_sockaddr)
    {
        newsock->ops->getname(newsock, (struct sockaddr *)&address,&len, 2);
        move_addr_to_user(&address, len, upeer_sockaddr, upeer_addrlen);
    }
    fd_install(newfd, newfile);
}

2.2 inet_accept

关键行为：

1. 从全连接队列中取出一个已完成三次握手的子套接字
2. 把获取到的子套接字关联到到前面新分配的用户态套接字上
3. 将新分配的用户态套接字状态设置为已连接状态

源码（节选）：

// net/ipv4/af_inet.c
int inet_accept(struct socket *sock, struct socket *newsock, int flags)
{
    // sock: 监听 socket  sk1: 监听 sock
    struct sock *sk1 = sock->sk;
    // 实际调用 inet_csk_accept ，从全连接队列中取出一个已完成三次握手的子套接字
    struct sock *sk2 = sk1->sk_prot->accept(sk1, flags, &err);
    // 把获取到的子套接字关联到前面新分配的用户态套接字上
    sock_graft(sk2, newsock);
    // 将新分配的用户态套接字状态设置为 SS_CONNECTED（已连接）
    newsock->state = SS_CONNECTED;
}

2.3 inet_csk_accept

关键行为：

1. 状态判断：如果监听套接字不处于监听状态，直接退出
2. 如果连接队列为空，计算等待超时时间：非阻塞返回0；阻塞返回 MAX_SCHEDULE_TIMEOUT，无限等待
   1. 非阻塞：直接返回 -EAGAIN
   2. 阻塞：调用 inet_csk_wait_for_connect 让进程休眠，直到有连接到达或超时
3. 队列不为空，从队列头部取出一个 request_sock并返回，这表示一个已完成握手的连接请求

源码（节选）：

// net/ipv4/inet_connection_sock.c
struct sock *inet_csk_accept(struct sock *sk, int flags, int *err)
{
    // sk：监听 sock
    struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
    // 全连接队列
    struct request_sock_queue *queue = &icsk->icsk_accept_queue;
    struct request_sock *req;
    struct sock *newsk;
    // 如果监听套接字不处于监听状态，直接退出
    if (sk->sk_state != TCP_LISTEN)
        goto out_err;
    // 判断连接队列为空
    if (reqsk_queue_empty(queue)) {
        // 计算等待超时时间
        // 1. 非阻塞返回0
        // 2. 阻塞返回 MAX_SCHEDULE_TIMEOUT（无限等待）
        long timeo = sock_rcvtimeo(sk, flags & O_NONBLOCK);
        error = -EAGAIN;
        // 非阻塞，直接返回 -EAGAIN
        if (!timeo)
            goto out_err;
        // 阻塞等待，进程睡眠，直到有连接到达或超时
        error = inet_csk_wait_for_connect(sk, timeo);
        if (error)
            goto out_err;
    }
    // 从队列头部取出一个 request_sock，这表示一个已完成握手的连接请求
    req = reqsk_queue_remove(queue, sk);
    newsk = req->sk;
    ......
    return newsk;
    ......
}

三、 常见错误码与排查命令

3.1 常见错误码

错误码	含义	常见原因
EAGAIN / EWOULDBLOCK	非阻塞 socket，全连接队列为空	非阻塞模式下没有就绪连接
EINTR	系统调用被信号中断	阻塞等待期间收到信号
EINVAL	socket 不支持 accept	sockfd 没有执行 listen或者不是 SOCK_STREAM
EMFILE	进程文件描述符达到上限	fd 耗尽，无法分配新 fd
ENFILE	系统文件描述符达到上限	系统级打开文件数超限
ECONNABORTED	连接已被中止	握手完成后连接被 RST，部分内核版本会返回此错误

3.2 排查命令

# 查看进程 fd 使用数
ls /proc/<pid>/fd | wc -l
# 查看进程 fd 上限
cat /proc/<pid>/limits | grep "open files"
# 查看系统级打开文件数
cat /proc/sys/fs/file-nr

查看当前队列情况：

ss -antp

状态	Recv-Q	Send-Q
LISTEN	全连接队列当前数量	全连接队列的最大容量
ESTAB	接收缓冲区中未读取的数据字节数	发送缓冲区中未发送的数据字节数

四、总结

1. accept 不参与三次握手，只是消费全连接队列中内核已经握手完成的连接；
2. 返回全新的已连接套接字 fd，监听 socket 本身不受影响，继续接收新连接；
3. 阻塞模式队列为空会睡眠等待；非阻塞模式直接返回 EAGAIN。