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  • TCP层sendmsg系统调用的实现分析

    概述

    sendmsg系统调用在tcp层的实现是tcp_sendmsg函数,该函数完成以下任务:从用户空间读取数据,拷贝到内核skb,将skb加入到发送队列的任务,调用发送函数;函数在执行过程中会锁定控制块,避免软中断在tcp层的影响;函数核心流程为,在发送数据时,查看是否能够将数据合并到发送队列中最后一个skb中,如果不能合并,则新申请一个skb;拷贝过程中,如果skb的线性区域有空间,则优先使用线性区域,线性区域空间不足,则使用分页区域;拷贝完成后,调用发送函数发送数据;

    代码分析
      1 int tcp_sendmsg(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t size)
      2 {
      3     struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
      4     struct sk_buff *skb;
      5     struct sockcm_cookie sockc;
      6     int flags, err, copied = 0;
      7     int mss_now = 0, size_goal, copied_syn = 0;
      8     bool process_backlog = false;
      9     bool sg;
     10     long timeo;
     11 
     12     /* 加锁,避免与软中断的冲突 */
     13     lock_sock(sk);
     14 
     15     /* 获取标记 */
     16     flags = msg->msg_flags;
     17 
     18     /* fastopen和defer */
     19     if (unlikely(flags & MSG_FASTOPEN || inet_sk(sk)->defer_connect)) {
     20         err = tcp_sendmsg_fastopen(sk, msg, &copied_syn, size);
     21         if (err == -EINPROGRESS && copied_syn > 0)
     22             goto out;
     23         else if (err)
     24             goto out_err;
     25     }
     26 
     27     /* 获取阻塞时间,非阻塞为0 */
     28     timeo = sock_sndtimeo(sk, flags & MSG_DONTWAIT);
     29 
     30     /* 限速检查 */
     31     tcp_rate_check_app_limited(sk);  /* is sending application-limited? */
     32 
     33     /* Wait for a connection to finish. One exception is TCP Fast Open
     34      * (passive side) where data is allowed to be sent before a connection
     35      * is fully established.
     36      */
     37     /* 等待连接完成状态,fastopen的被动打开方例外 */
     38     if (((1 << sk->sk_state) & ~(TCPF_ESTABLISHED | TCPF_CLOSE_WAIT)) &&
     39         !tcp_passive_fastopen(sk)) {
     40         /* 等待连接完成 */
     41         err = sk_stream_wait_connect(sk, &timeo);
     42         if (err != 0)
     43             goto do_error;
     44     }
     45 
     46     if (unlikely(tp->repair)) {
     47         if (tp->repair_queue == TCP_RECV_QUEUE) {
     48             copied = tcp_send_rcvq(sk, msg, size);
     49             goto out_nopush;
     50         }
     51 
     52         err = -EINVAL;
     53         if (tp->repair_queue == TCP_NO_QUEUE)
     54             goto out_err;
     55 
     56         /* 'common' sending to sendq */
     57     }
     58 
     59     sockc.tsflags = sk->sk_tsflags;
     60     if (msg->msg_controllen) {
     61         err = sock_cmsg_send(sk, msg, &sockc);
     62         if (unlikely(err)) {
     63             err = -EINVAL;
     64             goto out_err;
     65         }
     66     }
     67 
     68     /* This should be in poll */
     69     /* 清除异步队列已满标记 */
     70     sk_clear_bit(SOCKWQ_ASYNC_NOSPACE, sk);
     71 
     72     /* Ok commence sending. */
     73     copied = 0;
     74 
     75 restart:
     76     /* 获取mss,gso情况下size_goal记录总mss=页数*mss */
     77     mss_now = tcp_send_mss(sk, &size_goal, flags);
     78 
     79     err = -EPIPE;
     80     /* 已经关闭了发送端 */
     81     if (sk->sk_err || (sk->sk_shutdown & SEND_SHUTDOWN))
     82         goto do_error;
     83 
     84     /* 网卡分散聚合标记 */
     85     sg = !!(sk->sk_route_caps & NETIF_F_SG);
     86 
     87     /* 遍历发送缓存 */
     88     while (msg_data_left(msg)) {
     89         int copy = 0;
     90         int max = size_goal;
     91 
     92         /* 拿到发送队列的尾部skb */
     93         skb = tcp_write_queue_tail(sk);
     94         /* 有skb未发送 */
     95         if (tcp_send_head(sk)) {
     96             /* 网卡不支持校验和,调整最大长度 */
     97             if (skb->ip_summed == CHECKSUM_NONE)
     98                 max = mss_now;
     99             /* 该skb还能够容纳的数据长度 */
    100             copy = max - skb->len;
    101         }
    102 
    103         /* 剩余空间为0,或者不能合并,分配一个新的skb */
    104         if (copy <= 0 || !tcp_skb_can_collapse_to(skb)) {
    105             bool first_skb;
    106 
    107 new_segment:
    108             /* Allocate new segment. If the interface is SG,
    109              * allocate skb fitting to single page.
    110              */
    111             /* 空闲内存不足,进入等待 */
    112             if (!sk_stream_memory_free(sk))
    113                 goto wait_for_sndbuf;
    114 
    115             if (process_backlog && sk_flush_backlog(sk)) {
    116                 process_backlog = false;
    117                 goto restart;
    118             }
    119             first_skb = skb_queue_empty(&sk->sk_write_queue);
    120 
    121             /* 分配skb */
    122             skb = sk_stream_alloc_skb(sk,
    123                           select_size(sk, sg, first_skb),
    124                           sk->sk_allocation,
    125                           first_skb);
    126             /* 分配失败,等待 */
    127             if (!skb)
    128                 goto wait_for_memory;
    129 
    130             process_backlog = true;
    131             /*
    132              * Check whether we can use HW checksum.
    133              */
    134             /* 网卡允许计算校验和 */
    135             if (sk_check_csum_caps(sk))
    136                 skb->ip_summed = CHECKSUM_PARTIAL;
    137 
    138             /* 添加到发送队列 */
    139             skb_entail(sk, skb);
    140             copy = size_goal;
    141             max = size_goal;
    142 
    143             /* All packets are restored as if they have
    144              * already been sent. skb_mstamp isn't set to
    145              * avoid wrong rtt estimation.
    146              */
    147             if (tp->repair)
    148                 TCP_SKB_CB(skb)->sacked |= TCPCB_REPAIRED;
    149         }
    150 
    151         /* Try to append data to the end of skb. */
    152         /* 拷贝的数据不能超过实际数据块的长度 */
    153         if (copy > msg_data_left(msg))
    154             copy = msg_data_left(msg);
    155 
    156         /* Where to copy to? */
    157         /* 线性区域还有空间 */
    158         if (skb_availroom(skb) > 0) {
    159             /* We have some space in skb head. Superb! */
    160             /* 取要拷贝的数量和线性区域的较小值 */
    161             copy = min_t(int, copy, skb_availroom(skb));
    162             /* 从用户空间拷贝到内核 */
    163             err = skb_add_data_nocache(sk, skb, &msg->msg_iter, copy);
    164             if (err)
    165                 goto do_fault;
    166         }
    167         /* 线性区域没有空间,则使用分页区 */
    168         else {
    169             bool merge = true;
    170             /* 获取页数量 */
    171             int i = skb_shinfo(skb)->nr_frags;
    172             /* 获取缓存的页 */
    173             struct page_frag *pfrag = sk_page_frag(sk);
    174 
    175             /* 检查是否有足够的空间,空间不足则申请新页,失败则等待 */
    176             if (!sk_page_frag_refill(sk, pfrag))
    177                 goto wait_for_memory;
    178 
    179             /* 不能合并 */
    180             if (!skb_can_coalesce(skb, i, pfrag->page,
    181                           pfrag->offset)) {
    182                 /* 页数量超过限制 || 网卡不支持分散聚合*/
    183                 if (i >= sysctl_max_skb_frags || !sg) {
    184                     /* 增加push标记,尽快处理数据 */
    185                     tcp_mark_push(tp, skb);
    186                     /* 新申请一个skb */
    187                     goto new_segment;
    188                 }
    189                 /* 不合并 */
    190                 merge = false;
    191             }
    192 
    193             /* 获取能够合并的空间 */
    194             copy = min_t(int, copy, pfrag->size - pfrag->offset);
    195 
    196             /* 发送合法性检查 */
    197             if (!sk_wmem_schedule(sk, copy))
    198                 goto wait_for_memory;
    199 
    200             /* 拷贝数据到分页 */
    201             err = skb_copy_to_page_nocache(sk, &msg->msg_iter, skb,
    202                                pfrag->page,
    203                                pfrag->offset,
    204                                copy);
    205             if (err)
    206                 goto do_error;
    207 
    208             /* Update the skb. */
    209             if (merge) {
    210                 /* 合并的,需要增加数据量 */
    211                 skb_frag_size_add(&skb_shinfo(skb)->frags[i - 1], copy);
    212             } else {
    213                 /* 非合并的,对新页进行初始化 */
    214                 skb_fill_page_desc(skb, i, pfrag->page,
    215                            pfrag->offset, copy);
    216                 page_ref_inc(pfrag->page);
    217             }
    218 
    219             /* 记录新的偏移 */
    220             pfrag->offset += copy;
    221         }
    222 
    223         /* 第一次拷贝,清除push标记 */
    224         if (!copied)
    225             TCP_SKB_CB(skb)->tcp_flags &= ~TCPHDR_PSH;
    226 
    227         /* 更新发送队列的最后一个序号 */
    228         tp->write_seq += copy;
    229         /* 更新skb结束序号 */
    230         TCP_SKB_CB(skb)->end_seq += copy;
    231         tcp_skb_pcount_set(skb, 0);
    232 
    233         /* 更新拷贝数量 */
    234         copied += copy;
    235 
    236         /* 数据都拷贝完成 */
    237         if (!msg_data_left(msg)) {
    238             if (unlikely(flags & MSG_EOR))
    239                 TCP_SKB_CB(skb)->eor = 1;
    240             goto out;
    241         }
    242 
    243         /* 还能继续拷贝数据 带外数据 修复模式,继续拷贝 */
    244         if (skb->len < max || (flags & MSG_OOB) || unlikely(tp->repair))
    245             continue;
    246 
    247         /* 需要使用push标记 */
    248         if (forced_push(tp)) {
    249             /* 打psh标记 */
    250             tcp_mark_push(tp, skb);
    251             /* 发送队列中的多个skb */
    252             __tcp_push_pending_frames(sk, mss_now, TCP_NAGLE_PUSH);
    253         } 
    254         /* 否则,有数据要发送,则发送一个skb */
    255         else if (skb == tcp_send_head(sk))
    256             tcp_push_one(sk, mss_now);
    257         continue;
    258 
    259 wait_for_sndbuf:
    260         /* 设置空间不足标记 */
    261         set_bit(SOCK_NOSPACE, &sk->sk_socket->flags);
    262 wait_for_memory:
    263         /* 已经有拷贝数据到发送队列,则发送之 */
    264         if (copied)
    265             tcp_push(sk, flags & ~MSG_MORE, mss_now,
    266                  TCP_NAGLE_PUSH, size_goal);
    267 
    268         /* 等待内存足够 */
    269         err = sk_stream_wait_memory(sk, &timeo);
    270         if (err != 0)
    271             goto do_error;
    272 
    273         /* 重新计算mss */
    274         mss_now = tcp_send_mss(sk, &size_goal, flags);
    275     }
    276 
    277 out:
    278     /* 已经拷贝数据到发送队列,则发送之 */
    279     if (copied) {
    280         tcp_tx_timestamp(sk, sockc.tsflags, tcp_write_queue_tail(sk));
    281         tcp_push(sk, flags, mss_now, tp->nonagle, size_goal);
    282     }
    283 out_nopush:
    284     release_sock(sk);
    285     return copied + copied_syn;
    286 
    287 do_fault:
    288     /* skb中没有数据,从发送队列中删除skb */
    289     if (!skb->len) {
    290         tcp_unlink_write_queue(skb, sk);
    291         /* It is the one place in all of TCP, except connection
    292          * reset, where we can be unlinking the send_head.
    293          */
    294         tcp_check_send_head(sk, skb);
    295         sk_wmem_free_skb(sk, skb);
    296     }
    297 
    298 do_error:
    299     if (copied + copied_syn)
    300         goto out;
    301 out_err:
    302     err = sk_stream_error(sk, flags, err);
    303     /* make sure we wake any epoll edge trigger waiter */
    304     if (unlikely(skb_queue_len(&sk->sk_write_queue) == 0 &&
    305              err == -EAGAIN)) {
    306         sk->sk_write_space(sk);
    307         tcp_chrono_stop(sk, TCP_CHRONO_SNDBUF_LIMITED);
    308     }
    309     release_sock(sk);
    310     return err;
    311 }
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