tcp_recvmsg 函数详解

看了很多网上关于tcp_recvmsg的文章，感觉解释的不太到位，或者很多都是空口说白话，昨天分析了一下午tcp_recvmsg，感觉了解了十之八九，现在贴出来和大家分享一下。

需要背景：了解tcp三个接收队列  prequeue,backlog,receive的各自用处。

/*
 *	This routine copies from a sock struct into the user buffer.
 *
 *	Technical note: in 2.3 we work on _locked_ socket, so that
 *	tricks with *seq access order and skb->users are not required.
 *	Probably, code can be easily improved even more.
 */

int tcp_recvmsg(struct kiocb *iocb, struct sock *sk, struct msghdr *msg,
  size_t len, int nonblock, int flags, int *addr_len)
{
 struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
 int copied = 0;
 u32 peek_seq;
 u32 *seq;
 unsigned long used;
 int err;
 int target;	 /* Read at least this many bytes */
 long timeo;
 struct task_struct *user_recv = NULL;
 int copied_early = 0;
 struct sk_buff *skb;
 u32 urg_hole = 0;

//功能：“锁住sk”，并非真正的加锁，而是执行sk->sk_lock.owned = 1
//目的：这样软中断上下文能够通过owned ，判断该sk是否处于进程上下文。
//提供一种同步机制。
 lock_sock(sk);

 TCP_CHECK_TIMER(sk);

 err = -ENOTCONN;
 if (sk->sk_state == TCP_LISTEN)
  goto out;

//获取延迟，如果用户设置为非阻塞，那么timeo ==0000 0000 0000 0000
//如果用户使用默认recv系统调用
//则为阻塞，此时timeo ==0111 1111 1111 1111
//timeo 就2个值
 timeo = sock_rcvtimeo(sk, nonblock);

 /* Urgent data needs to be handled specially. */
 if (flags & MSG_OOB)
  goto recv_urg;

//待拷贝的下一个序列号
 seq = &tp->copied_seq;

//设置了MSG_PEEK，表示不让数据从缓冲区移除，目的是下一次调用recv函数
//仍然能够读到相同数据
 if (flags & MSG_PEEK) {
  peek_seq = tp->copied_seq;
  seq = &peek_seq;
 }

//如果设置了MSG_WAITALL，则target  ==len，即recv函数中的参数len
//如果没设置MSG_WAITALL，则target  == 1
 target = sock_rcvlowat(sk, flags & MSG_WAITALL, len);

//大循环
 do {
  u32 offset;

  /* Are we at urgent data? Stop if we have read anything or have SIGURG pending. */
  if (tp->urg_data && tp->urg_seq == *seq) {
   if (copied)
    break;
   if (signal_pending(current)) {
    copied = timeo ? sock_intr_errno(timeo) : -EAGAIN;
    break;
   }
  }

  /* Next get a buffer. */

//小循环
  skb_queue_walk(&sk->sk_receive_queue, skb) {
   /* Now that we have two receive queues this
    * shouldn't happen.
    */
   if (WARN(before(*seq, TCP_SKB_CB(skb)->seq),
        KERN_INFO "recvmsg bug: copied %X "
           "seq %X rcvnxt %X fl %X\n", *seq,
           TCP_SKB_CB(skb)->seq, tp->rcv_nxt,
           flags))
    break;

//如果用户的缓冲区(即用户malloc的buf)长度够大，offset一般是0。
//即 “下次准备拷贝数据的序列号”==此时获取报文的起始序列号
//什么情况下offset >0呢？很简答，如果用户缓冲区12字节，而这个skb有120字节
//那么一次recv系统调用，只能获取skb中的前12个字节，下一次执行recv系统调用
//offset就是12了，<span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">offset</span><span style="font-family: Arial, Helvetica, sans-serif;">表示从第12个字节开始读取数据，前12个字节已经读取了。</span>
//那这个"已经读取12字节"这个消息，存在哪呢？
//在*seq = &tp->copied_seq;中
   offset = *seq - TCP_SKB_CB(skb)->seq;
   if (tcp_hdr(skb)->syn)
    offset--;
   if (offset < skb->len)
    goto found_ok_skb;
   if (tcp_hdr(skb)->fin)
    goto found_fin_ok;
   WARN(!(flags & MSG_PEEK), KERN_INFO "recvmsg bug 2: "
     "copied %X seq %X rcvnxt %X fl %X\n",
     *seq, TCP_SKB_CB(skb)->seq,
     tp->rcv_nxt, flags);
  }

//执行到了这里，表明小循环中break了，既然break了，说明sk_receive_queue中
//已经没有skb可以读取了
//如果没有执行到这里说明前面的小循环中执行了goto，读到有用的skb，或者读到fin都会goto。
//没有skb可以读取，说明什么？
//可能性1：当用户第一次调用recv时，压根没有数据到来
//可能性2：skb->len一共20字节，假设用户调用一次 recv，读取12字节，再调用recv，
//读取12字节，此时skb由于上次已经被读取了12字节，只剩下8字节。
//于是代码的逻辑上，再会要求获取skb，来读取剩下的8字节。

//可能性1的情况下，copied == 0，肯定不会进这个if。后续将执行休眠
//可能性2的情况下，情况比较复杂。可能性2表明数据没有读够用户想要的len长度
//虽然进程上下文中，没有读够数据，但是可能我们在读数据的时候
//软中断把数据放到backlog队列中了，而backlog对队列中的数据或许恰好让我们读够数
//据。

//copied了数据的，copied肯定>=1，而target 是1或者len
//copied只能取0(可能性1)，或者0~len(可能性2)
//copied >= target 表示我们取得我们想要的数据了，何必进行休眠，直接return
//如果copied 没有达到我们想要的数据，则看看sk_backlog是否为空
//空的话，尽力了，只能尝试休眠
//非空的话，还有一线希望，我们去sk_backlog找找数据，看看是否能够达到我们想要的
//数据大小

//我觉得copied == target是会出现的，但是出现的话，也不会进现在这个流程
//，如有不对，请各位大神指正，告诉我
//说明情况下copied == target

  /* Well, if we have backlog, try to process it now yet. */
  if (copied >= target && !sk->sk_backlog.tail)
   break;

  if (copied) {
//可能性2，拷贝了数据，但是没有拷贝到指定大小
   if (sk->sk_err ||
       sk->sk_state == TCP_CLOSE ||
       (sk->sk_shutdown & RCV_SHUTDOWN) ||
       !timeo ||
       signal_pending(current))
    break;
  } else {
//可能性1
   if (sock_flag(sk, SOCK_DONE))
    break;

   if (sk->sk_err) {
    copied = sock_error(sk);
    break;
   }

   if (sk->sk_shutdown & RCV_SHUTDOWN)
    break;

   if (sk->sk_state == TCP_CLOSE) {
    if (!sock_flag(sk, SOCK_DONE)) {
     /* This occurs when user tries to read
      * from never connected socket.
      */
     copied = -ENOTCONN;
     break;
    }
    break;
   }

//是否是阻塞的，不是，就return了。
   if (!timeo) {
    copied = -EAGAIN;
    break;
   }

   if (signal_pending(current)) {
    copied = sock_intr_errno(timeo);
    break;
   }
  }

  tcp_cleanup_rbuf(sk, copied);

//sysctl_tcp_low_latency 默认0tp->ucopy.task == user_recv肯定也成立

  if (!sysctl_tcp_low_latency && tp->ucopy.task == user_recv) {
   /* Install new reader */
   if (!user_recv && !(flags & (MSG_TRUNC | MSG_PEEK))) {
    user_recv = current;
    tp->ucopy.task = user_recv;
    tp->ucopy.iov = msg->msg_iov;
   }

   tp->ucopy.len = len;

   WARN_ON(tp->copied_seq != tp->rcv_nxt &&
    !(flags & (MSG_PEEK | MSG_TRUNC)));

   /* Ugly... If prequeue is not empty, we have to
    * process it before releasing socket, otherwise
    * order will be broken at second iteration.
    * More elegant solution is required!!!
    *
    * Look: we have the following (pseudo)queues:
    *
    * 1. packets in flight
    * 2. backlog
    * 3. prequeue
    * 4. receive_queue
    *
    * Each queue can be processed only if the next ones
    * are empty. At this point we have empty receive_queue.
    * But prequeue _can_ be not empty after 2nd iteration,
    * when we jumped to start of loop because backlog
    * processing added something to receive_queue.
    * We cannot release_sock(), because backlog contains
    * packets arrived _after_ prequeued ones.
    *
    * Shortly, algorithm is clear --- to process all
    * the queues in order. We could make it more directly,
    * requeueing packets from backlog to prequeue, if
    * is not empty. It is more elegant, but eats cycles,
    * unfortunately.
    */
//
   if (!skb_queue_empty(&tp->ucopy.prequeue))
    goto do_prequeue;

   /* __ Set realtime policy in scheduler __ */
  }

  if (copied >= target) {
   /* Do not sleep, just process backlog. */
   release_sock(sk);
   lock_sock(sk);
  } else
     sk_wait_data(sk, &timeo);
//在此处睡眠了，将在tcp_prequeue函数中调用wake_up_interruptible_poll唤醒

//软中断会判断用户是正在读取检查并且睡眠了，如果是的话，就直接把数据拷贝
//到prequeue队列，然后唤醒睡眠的进程。因为进程睡眠，表示没有读到想要的字节数
//此时，软中断有数据到来，直接给进程，这样进程就能以最快的速度被唤醒。

  if (user_recv) {
   int chunk;

   /* __ Restore normal policy in scheduler __ */

   if ((chunk = len - tp->ucopy.len) != 0) {
    NET_ADD_STATS_USER(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPDIRECTCOPYFROMBACKLOG, chunk);
    len -= chunk;
    copied += chunk;
   }

   if (tp->rcv_nxt == tp->copied_seq &&
       !skb_queue_empty(&tp->ucopy.prequeue)) {
do_prequeue:
    tcp_prequeue_process(sk);

    if ((chunk = len - tp->ucopy.len) != 0) {
     NET_ADD_STATS_USER(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPDIRECTCOPYFROMPREQUEUE, chunk);
     len -= chunk;
     copied += chunk;
    }
   }
  }
  if ((flags & MSG_PEEK) &&
      (peek_seq - copied - urg_hole != tp->copied_seq)) {
   if (net_ratelimit())
    printk(KERN_DEBUG "TCP(%s:%d): Application bug, race in MSG_PEEK.\n",
           current->comm, task_pid_nr(current));
   peek_seq = tp->copied_seq;
  }
  continue;

 found_ok_skb:
  /* Ok so how much can we use? */
//skb中还有多少聚聚没有拷贝。
//正如前面所说的，offset是上次已经拷贝了的，这次从offset开始接下去拷贝
  used = skb->len - offset;
//很有可能used的大小，即skb剩余长度，依然大于用户的缓冲区大小(len)。所以依然
//只能拷贝len长度。一般来说，用户还得执行一次recv系统调用。直到skb中的数据读完
  if (len < used)
   used = len;

  /* Do we have urgent data here? */
  if (tp->urg_data) {
   u32 urg_offset = tp->urg_seq - *seq;
   if (urg_offset < used) {
    if (!urg_offset) {
     if (!sock_flag(sk, SOCK_URGINLINE)) {
      ++*seq;
      urg_hole++;
      offset++;
      used--;
      if (!used)
       goto skip_copy;
     }
    } else
     used = urg_offset;
   }
  }

  if (!(flags & MSG_TRUNC)) {
   {
    //一般都会进这个if，进行数据的拷贝，把能够读到的数据，放到用户的缓冲区
    err = skb_copy_datagram_iovec(skb, offset,
      msg->msg_iov, used);
    if (err) {
     /* Exception. Bailout! */
     if (!copied)
      copied = -EFAULT;
     break;
    }
   }
  }

//更新标志位，seq 是指针，指向了tp->copied_seq
//used是我们有能力拷贝的数据大小，即已经拷贝到用户缓冲区的大小
//正如前面所说，如果用户的缓冲区很小，一次recv拷贝不玩skb中的数据，
//我们需要保存已经拷贝了的大小，下次recv时，从这个大小处继续拷贝。
//所以需要更新copied_seq。
  *seq += used;
  copied += used;
  len -= used;

  tcp_rcv_space_adjust(sk);

skip_copy:
  if (tp->urg_data && after(tp->copied_seq, tp->urg_seq)) {
   tp->urg_data = 0;
   tcp_fast_path_check(sk);
  }

//这个就是判断我们是否拷贝完了skb中的数据，如果没有continue
//这种情况下，len经过 len -= used; ，已经变成0，所以continue的效果相当于
//退出了这个大循环。可以理解，你只能拷贝len长度，拷贝完之后，那就return了。

//还有一种情况used + offset ==  skb->len，表示skb拷贝完了。这时我们只需要释放skb
//下面会讲到
  if (used + offset < skb->len)
   continue;

//看看这个数据报文是否含有fin，含有fin，则goto到found_fin_ok
  if (tcp_hdr(skb)->fin)
   goto found_fin_ok;

//执行到这里，标明used + offset ==  skb->len，报文也拷贝完了，那就把skb摘链释放
  if (!(flags & MSG_PEEK)) {
   sk_eat_skb(sk, skb, copied_early);
   copied_early = 0;
  }
//这个cintinue不一定是退出大循环，可能还会执行循环。
//假设用户设置缓冲区12字节，你skb->len长度20字节。
//第一次recv读取了12字节，skb剩下8，下一次调用recv再想读取12，
//但是只能读取到这8字节了。
//此时len 变量长度为4，那么这个continue依旧在这个循环中，
//函数还是再次从do开始，使用skb_queue_walk，找skb
//如果sk_receive_queue中skb仍旧有，那么继续读，直到len == 0
//如果没有skb了，我们怎么办？我们的len还有4字节怎么办？
//这得看用户设置的recv函数阻塞与否，即和timeo变量相关了。
  continue;

 found_fin_ok:
  /* Process the FIN. */
  ++*seq;
  if (!(flags & MSG_PEEK)) {
//把skb从sk_receive_queue中摘链
   sk_eat_skb(sk, skb, copied_early);
   copied_early = 0;
  }
  break;
 } while (len > 0);

//到这里是大循环退出
//休眠过的进程，然后退出大循环 ，才满足 if (user_recv) 条件
 if (user_recv) {
  if (!skb_queue_empty(&tp->ucopy.prequeue)) {
   int chunk;

   tp->ucopy.len = copied > 0 ? len : 0;

   tcp_prequeue_process(sk);

   if (copied > 0 && (chunk = len - tp->ucopy.len) != 0) {
    NET_ADD_STATS_USER(sock_net(sk), LINUX_MIB_TCPDIRECTCOPYFROMPREQUEUE, chunk);
    len -= chunk;
    copied += chunk;
   }
  }

//数据读取完毕，清零
  tp->ucopy.task = NULL;
  tp->ucopy.len = 0;
 }

 /* According to UNIX98, msg_name/msg_namelen are ignored
  * on connected socket. I was just happy when found this 8) --ANK
  */

 /* Clean up data we have read: This will do ACK frames. */
//很重要，将更新缓存，并且适当的时候发送ack
 tcp_cleanup_rbuf(sk, copied);

 TCP_CHECK_TIMER(sk);
 release_sock(sk);
 return copied;

out:
 TCP_CHECK_TIMER(sk);
 release_sock(sk);
 return err;

recv_urg:
 err = tcp_recv_urg(sk, msg, len, flags);
 goto out;
}

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