kk Blog —— 通用基础

date [-d @int|str] [+%s|"+%F %T"]

socket监听连接 sys_listen

http://blog.csdn.net/justlinux2010/article/details/8597498

listen()函数仅在TCP服务器端调用,它做两个事情:将套接字转换到LISTEN状态和设置套接上的最大连接队列。listen()对应的内核实现为sys_listen(),下面开始对其实现作具体的分析。

一、sys_listen()函数

sys_listen()的源码实现及分析如下所示:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
/* 
 *  Perform a listen. Basically, we allow the protocol to do anything 
 *  necessary for a listen, and if that works, we mark the socket as 
 *  ready for listening. 
 */  

SYSCALL_DEFINE2(listen, int, fd, int, backlog)  
{  
	struct socket *sock;  
	int err, fput_needed;  
	int somaxconn;  
  
	sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);  
	if (sock) {  
		/* 
		 * sysctl_somaxconn存储的是服务器监听时,允许每个套接字连接队列长度  
		 * 的最大值,默认值是SOMAXCONN,即128,在sysctl_core_net_init()函数中初始化。 
		 * 在proc文件系统中可以通过修改/proc/sys/net/core/somaxconn文件来修改这个值。 
		 */  
		somaxconn = sock_net(sock->sk)->core.sysctl_somaxconn;  
		/* 
		 * 如果指定的最大连接数超过系统限制,则使用系统当前允许的连接队列 
		 * 中连接的最大数。 
		 */  
		if ((unsigned)backlog > somaxconn)  
			backlog = somaxconn;  
  
		err = security_socket_listen(sock, backlog);  
		if (!err)  
			/* 
			 * 如果是TCP套接字,sock->ops指向的是inet_stream_ops, 
			 * sock->ops是在inet_create()函数中初始化,所以listen接口 
			 * 调用的是inet_listen()函数。 
			 */  
			err = sock->ops->listen(sock, backlog);  
  
		fput_light(sock->file, fput_needed);  
	}  
	return err;  
}  

sys_listen()的代码流程图如下所示:

1
2
3
4
5
6
7
	sys_listen()
		|
		|---> sockfd_lookup_light()
		|
		|---> 确定最大连接队列
		|
		 ---> inet_listen()

sys_listen()的代码流程和sys_bind()很像,都是先调用sockfd_lookup_light()获取描述符对应的socket实例,然后通过调用sock->ops中的操作接口来完成真正的操作。接下来看这段代码:

1
2
if ((unsigned)backlog > somaxconn)  
			backlog = somaxconn;  

这里可以看出,如果指定的最大连接队列数超过系统限制,会使用系统中设置的最大连接队列数。所以,如果想扩大套接字的连接队列,只调整listen()的backlog参数是没用的,还要修改系统的设置才行。

二、inet_listen()函数

inet_listen()的源码实现及分析如下所示:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
/* 
 *  Move a socket into listening state. 
 */  
/* 
 * inet_listen()函数为listen系统调用套接字层的实现。 
 */  
int inet_listen(struct socket *sock, int backlog)  
{  
	struct sock *sk = sock->sk;  
	unsigned char old_state;  
	int err;  
  
	lock_sock(sk);  
  
	err = -EINVAL;  
	/* 
	 * 检测调用listen的套接字的当前状态和类型。如果套接字状态 
	 * 不是SS_UNCONNECTED,或套接字类型不是SOCK_STREAM,则不 
	 * 允许进行监听操作,返回相应错误码 
	 */  
	if (sock->state != SS_UNCONNECTED || sock->type != SOCK_STREAM)  
		goto out;  
  
	old_state = sk->sk_state;  
	/* 
	 * 检查进行listen调用的传输控制块的状态。如果该传输控制块不在 
	 * 在TCPF_CLOSE或TCPF_LISTEN状态,则不能进行监听操作,返回 
	 * 相应错误码 
	 */  
	if (!((1 << old_state) & (TCPF_CLOSE | TCPF_LISTEN)))  
		goto out;  
  
	/* Really, if the socket is already in listen state 
	 * we can only allow the backlog to be adjusted. 
	 */  
	/* 
	 * 如果传输控制块不在LISTEN状态,则调用inet_csk_listen_start() 
	 * 进行监听操作。最后,无论是否在LISTEN状态都需要设置传输控制块 
	 * 的连接队列长度的上限。从这里可以看出,可以通过调用listen() 
	 * 来修改最大连接队列的长度。 
	 */  
	if (old_state != TCP_LISTEN) {  
		err = inet_csk_listen_start(sk, backlog);  
		if (err)  
			goto out;  
	}  
	sk->sk_max_ack_backlog = backlog;  
	err = 0;  
  
out:  
	release_sock(sk);  
	return err;  
}  

inet_listen()首先检查套接字的状态及类型,如果状态和类型不适合进行listen操作,则返回EINVAL错误。如果套接字的当前状态不是LISTEN状态,则调用inet_csk_listen_start()来分配管理接收队列的内存,并且将套接字状态转换为LISTEN状态。如果套接字状态已经是LISTEN状态,则只修改套接字中sk_max_ack_backlog成员,即连接队列的上限。从这里可以看出,可以通过调用listen()来修改连接队列的上限。但是这里有一个问题,假设套接的当前状态是LISTEN状态,连接队列的长度是100,这时调用listen()来将连接队列的长度修改为1024(假设已修改/proc/sys/net/core/somaxconn文件提高系统限制),但从代码看来并没有调用inet_csk_listen_start()来重新分配管理连接队列的内存,管理连接队列的内存没有变化,是不是会没有效果呢?其实不然,inet_csk_listen_start()中分配的内存除了listen_sock管理结构外,用作半连接队列的哈希表槽位。哈希表中可以容纳的元素个数和listen()中的backlog参数有关(和系统设置有关,还会对齐到2的整数次幂),和哈希表的槽位个数是没有关系的,参见reqsk_queue_alloc()函数。

下面来看这行代码:

1
sk->sk_max_ack_backlog = backlog;  

其中sk_max_ack_backlog存储的是套接字的连接队列的上限,即accept队列的上限,但是这个上限值并不意味着连接队列中只能有sk_max_ack_backlog指定的数量。还有一个地方需要说明的是,《Unix网络编程》中讲到listen()时,说第二个参数的值是半连接队列和连接队列的个数之和,但是在linux中不是这样的,简单地说,listen()的第二个参数既是半连接队列的长度,也是连接队列的长度,并不是两者的和。这样说不太准确,后面会专门写一篇关于listen()的第二个参数backlog的分析。

三、inet_csk_listen_start()函数

inet_csk_listen_start()的源码实现及分析如下:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
/* 
 * 使TCP传输控制块进入监听状态,实现监听状态:为管理连接 
 * 请求块的散列表分配存储空间,接着使TCP传输控制块的状态 
 * 迁移到LISTEN状态,然后将传输控制块添加到监听散列表中。 
 * @nr_table_entries:允许连接的队列长度上限,通过此值 
 *                   合理计算出存储连接请求块的散列表大小 
 */  
int inet_csk_listen_start(struct sock *sk, const int nr_table_entries)  
{  
	struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);  
	struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);  
	/* 
	 * 为管理连接请求块的散列表分配存储空间,如果分配失败则返回 
	 * 相应错误码 
	 */  
	int rc = reqsk_queue_alloc(&icsk->icsk_accept_queue, nr_table_entries);  
  
	if (rc != 0)  
		return rc;  
  
	/* 
	 * 初始化连接队列长度上限,清除当前已建立连接数 
	 */  
	sk->sk_max_ack_backlog = 0;  
	sk->sk_ack_backlog = 0;  
	/* 
	 * 初始化传输控制块中与延时发送ACK段有关的控制数据结构icsk_ack 
	 */  
	inet_csk_delack_init(sk);  
  
	/* There is race window here: we announce ourselves listening, 
	 * but this transition is still not validated by get_port(). 
	 * It is OK, because this socket enters to hash table only 
	 * after validation is complete. 
	 */  
	/* 
	 * 设置传输控制块状态为监听状态 
	 */  
	sk->sk_state = TCP_LISTEN;  
	/* 
	 * 调用的是inet_csk_get_port(),如果没有绑定端口,则进行绑定 
	 * 端口操作;如果已经绑定了端口,则对绑定的端口进行校验。绑定 
	 * 或校验端口成功后,根据端口号在传输控制块中设置网络字节序的 
	 * 端口号成员,然后再清除缓存在传输控制块中的目的路由缓存,最后 
	 * 调用hash接口inet_hash()将该传输控制块添加到监听散列表listening_hash 
	 * 中,完成监听 
	 */  
	if (!sk->sk_prot->get_port(sk, inet->num)) {  
		inet->sport = htons(inet->num);  
  
		sk_dst_reset(sk);  
		sk->sk_prot->hash(sk);  
  
		return 0;  
	}  
  
	/* 
	 * 如果绑定或校验端口失败,则说明监听失败,设置传输控制块状态 
	 * 为TCP_CLOSE状态 
	 */  
	sk->sk_state = TCP_CLOSE;  
	/* 
	 * 释放之前分配的inet_bind_bucket实例 
	 */  
	__reqsk_queue_destroy(&icsk->icsk_accept_queue);  
	return -EADDRINUSE;  
}  

inet_csk_listen_start()首先调用reqsk_queue_alloc()来分配管理连接队的内存,如果分配成功,则开始初始化sock结构中与连接队列相关的成员,并将套接字的状态设置为LISTEN状态。在上述工作完成后,该函数还要检查当前套接字是否已经绑定本地协议地址,如果没有绑定,则内核会自动为套接字分配一个可用端口,当前这种情况一般不会发生,如果发生那就是你的服务器程序忘记调用bind()了。

四、reqsk_queue_alloc()函数

reqsk_queue_alloc()的源码实现及分析如下所示:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
/* 
 * 用来分配连接请求块散列表,然后将其连接到所在传输控制块的请求 
 * 块容器中。 
 */  
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;  
  
	/* 
	 * 取用户设定的连接队列长度最大值参数nr_table_entries和系统最多 
	 * 可同时存在未完成三次握手SYN请求数sysctl_max_syn_backlog两者的 
	 * 最小值,他们都用来控制连接队列的长度,只是前者针对某传输控制 
	 * 块,而后者控制的是全局的 
	 */  
	nr_table_entries = min_t(u32, nr_table_entries, sysctl_max_syn_backlog);  
	nr_table_entries = max_t(u32, nr_table_entries, 8);  
	/* 
	 * 调用roundup_pow_of_two以确保nr_table_entries的值为2的n次方 
	 */  
	nr_table_entries = roundup_pow_of_two(nr_table_entries + 1);  
	/* 
	 * 计算用来保存SYN请求连接的listen_sock结构的大小 
	 */  
	lopt_size += nr_table_entries * sizeof(struct request_sock *);  
	if (lopt_size > PAGE_SIZE)  
		/* 
		 * 如果用于保存SYN请求连接的listen_sock结构大于一个页面, 
		 * 则调用__vmalloc()从高位内存中分配虚拟内存,并且清零 
		 */  
		lopt = __vmalloc(lopt_size,  
			GFP_KERNEL | __GFP_HIGHMEM | __GFP_ZERO,  
			PAGE_KERNEL);  
	else  
		/* 
		 * 如果小于一个页面,则在常规内存中分配内存并清零。kzalloc() 
		 * 封装了kmalloc()及memset() 
		 */  
		lopt = kzalloc(lopt_size, GFP_KERNEL);  
	if (lopt == NULL)  
		return -ENOMEM;  
	/* 
	 * 从nr_table_entries = max_t(u32, nr_table_entries, 8);中可以看出 
	 * nr_table_entries最小值为8,所以这里从3开始 
	 */  
	for (lopt->max_qlen_log = 3;  
		 (1 << lopt->max_qlen_log) < nr_table_entries;  
		 lopt->max_qlen_log++);  
  
	/* 
	 * 初始化listen_sock结构中的一些成员,如用于生成连接请求块 
	 * 散列表的hash_rnd等 
	 */  
	get_random_bytes(&lopt->hash_rnd, sizeof(lopt->hash_rnd));  
	rwlock_init(&queue->syn_wait_lock);  
	queue->rskq_accept_head = NULL;  
	lopt->nr_table_entries = nr_table_entries;  
  
	/* 
	 * 将散列表连接到所在传输控制块的请求块容器中 
	 */  
	write_lock_bh(&queue->syn_wait_lock);  
	queue->listen_opt = lopt;  
	write_unlock_bh(&queue->syn_wait_lock);  
  
	return 0;  
}  

从上面的代码中可以看到半连接队列长度的计算过程,nr_table_entries的值存储的就是计算的结果,这个值是基于listen()的第二个参数的值计算得到的。半连接队列的上限值的以2为底的对数存储在lopt的max_qlen_log成员中,对数的计算是通过下面的代码完成的,如下所示:

1
2
3
for (lopt->max_qlen_log = 3;  
		 (1 << lopt->max_qlen_log) < nr_table_entries;  
		 lopt->max_qlen_log++);  

五、结束语

在listen()系统调用中,第二个参数backlog对服务器的程序影响是很大的,而且不同的系统对这个参数的使用可能有所不同。前面我们也提到了,《Unix网络编程》中对第二参数backlog的描述是连接队列和半连接队列的长度之和不超过backlog,但是在Linux中并不是这样,限于篇幅,后面会单独写一篇关于backlog参数的分析文章来详细介绍。

socket创建过程 sys_socket

http://m.blog.chinaunix.net/uid-26905027-id-4031796.html

对于网络编程程序员来说sockfd = socket(AF_INET, SOCKET_DGRM, 0);这行代码是最熟悉不过,但这行代码的背后是……

  1. socket这个api是库函数,我们直接调用就可以了,调用之后,产生0x80号软中断,linux系统由用户态切换到内核态,接着执行系统调用函数,在内核态执行相应的服务例程,针对socket这个函数,服务例程是sys_socket函数。至于这个过程是怎么实现的,在这里不阐述。下面我们分析sys_socket函数,看socket是怎么创建的。

  2. 在分析sys_socket函数之前,我们先看一下sock_init初始化过程

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
static int __init sock_init(void)
{
	/*
	 * Initialize sock SLAB cache.
	 */

	sk_init(); 

	/*
	 * Initialize skbuff SLAB cache
	 */
	skb_init();

	/*
	 * Initialize the protocols module.
	 */

	init_inodecache();   //在这里创建了名为sock_inode_cache的cache
	register_filesystem(&sock_fs_type);
	sock_mnt = kern_mount(&sock_fs_type);

	/* The real protocol initialization is performed in later initcalls.
	 */

#ifdef CONFIG_NETFILTER
	netfilter_init();
#endif

	return 0;
}

struct socket_alloc {
	struct socket socket;
	struct inode vfs_inode;
};

static int init_inodecache(void)
{
	sock_inode_cachep = kmem_cache_create("sock_inode_cache",
					sizeof(struct socket_alloc),    //在这里创建了名为sock_inode_cache,大小为sizeof(struct socket_alloc)的slab高速缓存  
									//猜测创建slab高速缓存,而不是普通内存,那么操作socket结构就快了
					0,
					(SLAB_HWCACHE_ALIGN |
					SLAB_RECLAIM_ACCOUNT |
					SLAB_MEM_SPREAD),
					init_once,
					NULL);
	if (sock_inode_cachep == NULL)
		return -ENOMEM;
	return 0;
}

static struct vfsmount *sock_mnt __read_mostly;

static struct file_system_type sock_fs_type = {    
	.name =        "sockfs",
	.get_sb =    sockfs_get_sb,
	.kill_sb =    kill_anon_super,
};

register_filesystem(&sock_fs_type);   //在这里注册了名为sockfs的VFS
sock_mnt = kern_mount(&sock_fs_type);  //并在这里得到struct vfsmount 结构的sock_mnt变量,这个变量是全局变量,在创建socket的时候会用到

static struct super_operations sockfs_ops = {
	.alloc_inode =    sock_alloc_inode,      //这里就是最终创建struct socket_alloc结构的函数
	.destroy_inode =sock_destroy_inode,
	.statfs =    simple_statfs,
};

static int sockfs_get_sb(struct file_system_type *fs_type,
		int flags, const char *dev_name, void *data,
		struct vfsmount *mnt)
{
	return get_sb_pseudo(fs_type, "socket:", &sockfs_ops, SOCKFS_MAGIC,
							mnt);
}

static struct inode *sock_alloc_inode(struct super_block *sb)
{
	struct socket_alloc *ei;

	ei = kmem_cache_alloc(sock_inode_cachep, GFP_KERNEL);  //在这里我们看到了memory allocate 操作
	if (!ei)
		return NULL;
	init_waitqueue_head(&ei->socket.wait);

	ei->socket.fasync_list = NULL;          //在这里对socket结构一些字段进行了初始化
	ei->socket.state = SS_UNCONNECTED;
	ei->socket.flags = 0;
	ei->socket.ops = NULL;
	ei->socket.sk = NULL;
	ei->socket.file = NULL;

	return &ei->vfs_inode;
}
  1. 前面进行的这些初始化,为后面做好了准备,接着往下看吧:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
asmlinkage long sys_socket(int family, int type, int protocol)
{
	int retval;
	struct socket *sock;

	retval = sock_create(family, type, protocol, &sock);  //在这个函数完成了socket的创建过程
	if (retval < 0)
		goto out;

	retval = sock_map_fd(sock);  //把创建的socket和文件相关联,
	if (retval < 0)
		goto out_release;

out:
	/* It may be already another descriptor 8) Not kernel problem. */
	return retval;

out_release:
	sock_release(sock);
	return retval;
}

sock_create函数是封装函数,实际调用的是__sock_create函数

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
static int __sock_create(int family, int type, int protocol,
			struct socket **res, int kern)
{
	int err;
	struct socket *sock;
	const struct net_proto_family *pf;

	/*
	 * Check protocol is in range
	 */
	if (family < 0 || family >= NPROTO)
		return -EAFNOSUPPORT;
	if (type < 0 || type >= SOCK_MAX)
		return -EINVAL;

	/* Compatibility.
	 * This uglymoron is moved from INET layer to here to avoid
	 * deadlock in module load.
	 */
	if (family == PF_INET && type == SOCK_PACKET) {
		static int warned;
		if (!warned) {
			warned = 1;
			printk(KERN_INFO "%s uses obsolete (PF_INET,SOCK_PACKET)\n",
					current->comm);
		}
		family = PF_PACKET;
	}

	err = security_socket_create(family, type, protocol, kern);
	if (err)
		return err;

	/*
	 *    Allocate the socket and allow the family to set things up. if
	 *    the protocol is 0, the family is instructed to select an appropriate
	 *    default.
	 */
	sock = sock_alloc();    //这个函数调用了初始化时注册的创建socket和inode节点的回调函数,完成了socket和inode节点的创建。在unix和类unix系统中把socket当做文件节点来处理,所以有inode节点
				//后面我们分析这个函数
	if (!sock) {
		if (net_ratelimit())
			printk(KERN_WARNING "socket: no more sockets\n");
		return -ENFILE;    /* Not exactly a match, but its the
							closest posix thing */
	}

	sock->type = type;

#if defined(CONFIG_KMOD)
	/* Attempt to load a protocol module if the find failed.
	 *
	 * 12/09/1996 Marcin: this makes REALLY only sense, if the user
	 * requested real, full-featured networking support upon configuration.
	 * Otherwise module support will
	 */
	if (net_families[family] == NULL)
		request_module("net-pf-%d", family);
#endif

	rcu_read_lock();
	pf = rcu_dereference(net_families[family]);  //根据协议族family得到struct net_proto_family结构,这个net_families数组在inet_init函数中初始化,稍后我们看看这个初始化过程
	err = -EAFNOSUPPORT;
	if (!pf)
		goto out_release;

	/*
	 * We will call the ->create function, that possibly is in a loadable
	 * module, so we have to bump that loadable module refcnt first.
	 */
	if (!try_module_get(pf->owner))
		goto out_release;

	/* Now protected by module ref count */
	rcu_read_unlock();

	err = pf->create(sock, protocol); //在这里创建了庞大的struct sock 结构,并进行了初始化。这个挂入的inet_create函数
	if (err < 0)
		goto out_module_put;

	/*
	 * Now to bump the refcnt of the [loadable] module that owns this
	 * socket at sock_release time we decrement its refcnt.
	 */
	if (!try_module_get(sock->ops->owner))
		goto out_module_busy;

	/*
	 * Now that we're done with the ->create function, the [loadable]
	 * module can have its refcnt decremented
	 */
	module_put(pf->owner);
	err = security_socket_post_create(sock, family, type, protocol, kern);
	if (err)
		goto out_release;
	*res = sock;

	return 0;

out_module_busy:
	err = -EAFNOSUPPORT;
out_module_put:
	sock->ops = NULL;
	module_put(pf->owner);
out_sock_release:
	sock_release(sock);
	return err;

out_release:
	rcu_read_unlock();
	goto out_sock_release;
}

从上面的代码中看到_sock_create函数调用了回调函数完成了socket创建和初始化过程,下面我们看创建socket结构的过程:sock = sock_alloc();

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
static struct socket *sock_alloc(void)
{
	struct inode *inode;
	struct socket *sock;

	inode = new_inode(sock_mnt->mnt_sb); //在这里我们看到了sock_init函数中得到的全局变量sock_mnt,稍后看下new_inode函数
	if (!inode)
		return NULL;

	sock = SOCKET_I(inode); //得到了socket结构

	inode->i_mode = S_IFSOCK | S_IRWXUGO;
	inode->i_uid = current->fsuid;
	inode->i_gid = current->fsgid;

	get_cpu_var(sockets_in_use)++;
	put_cpu_var(sockets_in_use);
	return sock;
}
struct inode *new_inode(struct super_block *sb)
{
	static unsigned long last_ino;
	struct inode * inode;

	spin_lock_prefetch(&inode_lock);

	inode = alloc_inode(sb);  //接着看这个函数
	if (inode) {
		spin_lock(&inode_lock);
		inodes_stat.nr_inodes++;
		list_add(&inode->i_list, &inode_in_use);
		list_add(&inode->i_sb_list, &sb->s_inodes);
		inode->i_ino = ++last_ino;
		inode->i_state = 0;
		spin_unlock(&inode_lock);
	}
	return inode;
}
static struct inode *alloc_inode(struct super_block *sb)
{
	static const struct address_space_operations empty_aops;
	static struct inode_operations empty_iops;
	static const struct file_operations empty_fops;
	struct inode *inode;

	if (sb->s_op->alloc_inode)      //在这里我们看到 if调节满足,因为在sock_init函数中我们挂入了sock_alloc_inode函数,之前我们也看到了sock_alloc_inode函数创建了sizeof(struct socket_alloc
					//大小的slab高速缓存
		inode = sb->s_op->alloc_inode(sb); 
	else
		inode = (struct inode *) kmem_cache_alloc(inode_cachep, GFP_KERNEL);

	if (inode) {
		struct address_space * const mapping = &inode->i_data;

		inode->i_sb = sb;
		inode->i_blkbits = sb->s_blocksize_bits;
		inode->i_flags = 0;
		atomic_set(&inode->i_count, 1);
		inode->i_op = &empty_iops;
		inode->i_fop = &empty_fops;
		inode->i_nlink = 1;
		atomic_set(&inode->i_writecount, 0);
		inode->i_size = 0;
		inode->i_blocks = 0;
		inode->i_bytes = 0;
		inode->i_generation = 0;
#ifdef CONFIG_QUOTA
		memset(&inode->i_dquot, 0, sizeof(inode->i_dquot));
#endif
		inode->i_pipe = NULL;
		inode->i_bdev = NULL;
		inode->i_cdev = NULL;
		inode->i_rdev = 0;
		inode->dirtied_when = 0;
		if (security_inode_alloc(inode)) {
			if (inode->i_sb->s_op->destroy_inode)
				inode->i_sb->s_op->destroy_inode(inode);
			else
				kmem_cache_free(inode_cachep, (inode));
			return NULL;
		}

		mapping->a_ops = &empty_aops;
		mapping->host = inode;
		mapping->flags = 0;
		mapping_set_gfp_mask(mapping, GFP_HIGHUSER);
		mapping->assoc_mapping = NULL;
		mapping->backing_dev_info = &default_backing_dev_info;

		/*
		 * If the block_device provides a backing_dev_info for client
		 * inodes then use that.  Otherwise the inode share the bdev's
		 * backing_dev_info.
		 */
		if (sb->s_bdev) {
			struct backing_dev_info *bdi;

			bdi = sb->s_bdev->bd_inode_backing_dev_info;
			if (!bdi)
				bdi = sb->s_bdev->bd_inode->i_mapping->backing_dev_info;
			mapping->backing_dev_info = bdi;
		}
		inode->i_private = NULL;
		inode->i_mapping = mapping;
	}
	return inode;
}

从上面的分析中我们就可以很好的理解得到socket结构的过程:根据inode 得到socket

1
2
3
4
5
sock = SOCKET_I(inode);  
static inline struct socket *SOCKET_I(struct inode *inode)
{
	return &container_of(inode, struct socket_alloc, vfs_inode)->socket;
}
  1. 现在创建socket结构的过程也就完成了,下面我们看看创建struct sock结构的过程

在inet_init函数中,

1
2
3
4
5
6
7
(void)sock_register(&inet_family_ops);

static struct net_proto_family inet_family_ops = {
	.family = PF_INET,
	.create = inet_create,
	.owner    = THIS_MODULE,
};

在这里我们看到了挂入的过程,net_families数组以family为下标,组成了各个协议创建函数,还记得执行create函数的地方吧?但在看这个函数以前先看看这里:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
/* Upon startup we insert all the elements in inetsw_array[] into
 * the linked list inetsw.
 */
static struct inet_protosw inetsw_array[] =
{
	{
		.type = SOCK_STREAM,
		.protocol = IPPROTO_TCP,
		.prot = &tcp_prot,
		.ops = &inet_stream_ops,
		.capability = -1,
		.no_check = 0,
		.flags = INET_PROTOSW_PERMANENT |
			INET_PROTOSW_ICSK,
	},

	{
		.type = SOCK_DGRAM,
		.protocol = IPPROTO_UDP,
		.prot = &udp_prot,
		.ops = &inet_dgram_ops,
		.capability = -1,
		.no_check = UDP_CSUM_DEFAULT,
		.flags = INET_PROTOSW_PERMANENT,
	},


	{
		.type = SOCK_RAW,
		.protocol = IPPROTO_IP,    /* wild card */
		.prot = &raw_prot,
		.ops = &inet_sockraw_ops,
		.capability = CAP_NET_RAW,
		.no_check = UDP_CSUM_DEFAULT,
		.flags = INET_PROTOSW_REUSE,
	}
};

//下面的代码是在inet_init函数中执行的
/* Register the socket-side information for inet_create. */
	for (r = &inetsw[0]; r < &inetsw[SOCK_MAX]; ++r)
		INIT_LIST_HEAD(r);

	for (q = inetsw_array; q < &inetsw_array[INETSW_ARRAY_LEN]; ++q)
		inet_register_protosw(q);

我们来看看struct inet_protosw 这个结构

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
/* This is used to register socket interfaces for IP protocols. */
struct inet_protosw {
	struct list_head list;

	/* These two fields form the lookup key. */
	unsigned short     type;     /* This is the 2nd argument to socket(2). */
	unsigned short     protocol; /* This is the L4 protocol number. */

	struct proto     *prot;
	const struct proto_ops *ops;

	int capability; /* Which (if any) capability do
			 * we need to use this socket
			 * interface?
			 */
	char no_check; /* checksum on rcv/xmit/none? */
	unsigned char     flags; /* See INET_PROTOSW_* below. */
};
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
/*
 *    Create an inet socket. //从这个注释中我们可以看到,还可以创建其他类型的socket
 */

static int inet_create(struct socket *sock, int protocol)
{
	struct sock *sk;
	struct list_head *p;
	struct inet_protosw *answer;
	struct inet_sock *inet;
	struct proto *answer_prot;
	unsigned char answer_flags;
	char answer_no_check;
	int try_loading_module = 0;
	int err;

	sock->state = SS_UNCONNECTED;

	/* Look for the requested type/protocol pair. */
	answer = NULL;
lookup_protocol:
	err = -ESOCKTNOSUPPORT;
	rcu_read_lock();
	list_for_each_rcu(p, &inetsw[sock->type]) {   //在这里我们遍历inetsw数组,根据是UDP,TCP,RAW类型得到了struct inet_protosw结构
		answer = list_entry(p, struct inet_protosw, list);

		/* Check the non-wild match. */
		if (protocol == answer->protocol) {
			if (protocol != IPPROTO_IP)
				break;
		} else {
			/* Check for the two wild cases. */
			if (IPPROTO_IP == protocol) {
				protocol = answer->protocol;
				break;
			}
			if (IPPROTO_IP == answer->protocol)
				break;
		}
		err = -EPROTONOSUPPORT;
		answer = NULL;
	}

	if (unlikely(answer == NULL)) {
		if (try_loading_module < 2) {
			rcu_read_unlock();
			/*
			 * Be more specific, e.g. net-pf-2-proto-132-type-1
			 * (net-pf-PF_INET-proto-IPPROTO_SCTP-type-SOCK_STREAM)
			 */
			if (++try_loading_module == 1)
				request_module("net-pf-%d-proto-%d-type-%d",
						PF_INET, protocol, sock->type);
			/*
			 * Fall back to generic, e.g. net-pf-2-proto-132
			 * (net-pf-PF_INET-proto-IPPROTO_SCTP)
			 */
			else
				request_module("net-pf-%d-proto-%d",
						PF_INET, protocol);
			goto lookup_protocol;
		} else
			goto out_rcu_unlock;
	}

	err = -EPERM;
	if (answer->capability > 0 && !capable(answer->capability))
		goto out_rcu_unlock;

	sock->ops = answer->ops;    //对socket结构进行了初始化
	answer_prot = answer->prot;
	answer_no_check = answer->no_check;
	answer_flags = answer->flags;
	rcu_read_unlock();

	BUG_TRAP(answer_prot->slab != NULL);

	err = -ENOBUFS;
	sk = sk_alloc(PF_INET, GFP_KERNEL, answer_prot, 1);   //这个函数创建了struct sock 这个庞然大物
	if (sk == NULL)
		goto out;

	err = 0;
	sk->sk_no_check = answer_no_check;
	if (INET_PROTOSW_REUSE & answer_flags)
		sk->sk_reuse = 1;

	inet = inet_sk(sk);
	inet->is_icsk = (INET_PROTOSW_ICSK & answer_flags) != 0;

	if (SOCK_RAW == sock->type) {
		inet->num = protocol;
		if (IPPROTO_RAW == protocol)
			inet->hdrincl = 1;
	}

	if (ipv4_config.no_pmtu_disc)
		inet->pmtudisc = IP_PMTUDISC_DONT;
	else
		inet->pmtudisc = IP_PMTUDISC_WANT;

	inet->id = 0;

	sock_init_data(sock, sk);  //在这里对struct sock里面重要的字段进行了初始化,包括接受队列,发送队列,以及长度等

	sk->sk_destruct     = inet_sock_destruct;   
	sk->sk_family     = PF_INET;
	sk->sk_protocol     = protocol;
	sk->sk_backlog_rcv = sk->sk_prot->backlog_rcv;

	inet->uc_ttl    = -1;
	inet->mc_loop    = 1;
	inet->mc_ttl    = 1;
	inet->mc_index    = 0;
	inet->mc_list    = NULL;

	sk_refcnt_debug_inc(sk);

	if (inet->num) {    //我们看到当我们调用RAW类型的socket的时候,这个if条件就成立了
		/* It assumes that any protocol which allows
		 * the user to assign a number at socket
		 * creation time automatically
		 * shares.
		 */
		inet->sport = htons(inet->num);
		/* Add to protocol hash chains. */
		sk->sk_prot->hash(sk);
	}

	if (sk->sk_prot->init) {           //看L4层是否注册了初始化函数,我们看到UDP类型的socket为空,而TCP类型的socket注册了初始化函数
		err = sk->sk_prot->init(sk);
		if (err)
			sk_common_release(sk);
	}
out:
	return err;
out_rcu_unlock:
	rcu_read_unlock();
	goto out;
}
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
void sock_init_data(struct socket *sock, struct sock *sk)
{
	skb_queue_head_init(&sk->sk_receive_queue); //接受队列
	skb_queue_head_init(&sk->sk_write_queue);   //发送队列
	skb_queue_head_init(&sk->sk_error_queue);
#ifdef CONFIG_NET_DMA
	skb_queue_head_init(&sk->sk_async_wait_queue);
#endif

	sk->sk_send_head    =    NULL;

	init_timer(&sk->sk_timer);

	sk->sk_allocation    =    GFP_KERNEL;
	sk->sk_rcvbuf        =    sysctl_rmem_default;  //接受缓冲区大小
	sk->sk_sndbuf        =    sysctl_wmem_default;  //发送缓冲区大小
	sk->sk_state        =    TCP_CLOSE;   //被初始化为TCP_CLOSE,再下一篇绑定分析中我们会看到会检查这个状态
	sk->sk_socket        =    sock;

	sock_set_flag(sk, SOCK_ZAPPED);

	if(sock)
	{
		sk->sk_type    =    sock->type;
		sk->sk_sleep    =    &sock->wait;
		sock->sk    =    sk;
	} else
		sk->sk_sleep    =    NULL;

	rwlock_init(&sk->sk_dst_lock);
	rwlock_init(&sk->sk_callback_lock);
	lockdep_set_class(&sk->sk_callback_lock,
			af_callback_keys + sk->sk_family);

	sk->sk_state_change    =    sock_def_wakeup;
	sk->sk_data_ready    =    sock_def_readable;
	sk->sk_write_space    =    sock_def_write_space;
	sk->sk_error_report    =    sock_def_error_report;
	sk->sk_destruct        =    sock_def_destruct;

	sk->sk_sndmsg_page    =    NULL;
	sk->sk_sndmsg_off    =    0;

	sk->sk_peercred.pid     =    0;
	sk->sk_peercred.uid    =    -1;
	sk->sk_peercred.gid    =    -1;
	sk->sk_write_pending    =    0;
	sk->sk_rcvlowat        =    1;
	sk->sk_rcvtimeo        =    MAX_SCHEDULE_TIMEOUT;
	sk->sk_sndtimeo        =    MAX_SCHEDULE_TIMEOUT;

	sk->sk_stamp.tv_sec = -1L;
	sk->sk_stamp.tv_usec = -1L;

	atomic_set(&sk->sk_refcnt, 1);
}

socket绑定连接 sys_bind

http://blog.csdn.net/justlinux2010/article/details/8593539

bind()系统调用是给套接字分配一个本地协议地址,对于网际协议,协议地址是32位IPv4地址或128位IPv6地址与16位的TCP或UDP端口号的组合。如果没有通过bind()来指定本地的协议地址,在和远端通信时,内核会随机给套接字分配一个IP地址和端口号。bind()系统调用通常是在网络程序的服务器端调用,而且是必须的。如果TCP服务器不这么做,让内核来选择临时端口号而不是捆绑众所周知的端口,客户端如何发起与服务器的连接?

一、sys_bind()

bind()系统调用对应的内核实现是sys_bind(),其源码及分析如下:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
/* 
 *  Bind a name to a socket. Nothing much to do here since it's 
 *  the protocol's responsibility to handle the local address. 
 * 
 *  We move the socket address to kernel space before we call 
 *  the protocol layer (having also checked the address is ok). 
 */  
  
SYSCALL_DEFINE3(bind, int, fd, struct sockaddr __user *, umyaddr, int, addrlen)  
{  
	struct socket *sock;  
	struct sockaddr_storage address;  
	int err, fput_needed;  
  
	/* 
	 * 以fd为索引从当前进程的文件描述符表中 
	 * 找到对应的file实例,然后从file实例的private_data中 
	 * 获取socket实例。 
	 */  
	sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);  
	if (sock) {  
		/* 
		 * 将用户空间的地址拷贝到内核空间的缓冲区中。 
		 */  
		err = move_addr_to_kernel(umyaddr, addrlen, (struct sockaddr *)&address);  
		if (err >= 0) {  
			/* 
			 * SELinux相关,不需要关心。 
			 */  
			err = security_socket_bind(sock,  
						   (struct sockaddr *)&address,  
						   addrlen);  
			/* 
			 * 如果是TCP套接字,sock->ops指向的是inet_stream_ops, 
			 * sock->ops是在inet_create()函数中初始化,所以bind接口 
			 * 调用的是inet_bind()函数。 
			 */  
			if (!err)  
				err = sock->ops->bind(sock,  
							  (struct sockaddr *)  
							  &address, addrlen);  
		}  
		fput_light(sock->file, fput_needed);  
	}  
	return err;  
}  

sys_bind()的代码流程如下图所示:

1
2
3
4
5
6
7
	sys_bind()
		|
		|----> sockfd_loockup_light()
		|
		|----> move_addr_to_kernel()
		|
		 ----> inet_bind()

sys_bind()首先调用sockfd_lookup_light()查找套接字对应的socket实例,如果没有找到,则返回EBADF错误。在进行绑定操作之前,要先将用户传入的本地协议地址从用户空间拷贝到内核缓冲区中,在拷贝过程中会检查用户传入的地址是否正确。如果指定的长度参数小于0或者大于sockaddr_storage的大小,则返回EINVAL错误;如果在调用copy_from_user()执行拷贝操作过程中出现错误,则返回EFAULT错误。在上述的准备工作都完成后,调用inet_bind()函数(即sock->ops->bind指向的函数,参见注释)来完成绑定操作。

二、inet_bind()

inet_bind()比较简单,不做过多的分析,注释的已经很清楚了。代码及注释如下所示:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
int inet_bind(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr, int addr_len)  
{  
	struct sockaddr_in *addr = (struct sockaddr_in *)uaddr;  
	struct sock *sk = sock->sk;  
	struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);  
	unsigned short snum;  
	int chk_addr_ret;  
	int err;  
  
	/* If the socket has its own bind function then use it. (RAW) */  
	/* 
	 * 如果是TCP套接字,sk->sk_prot指向的是tcp_prot,在 
	 * inet_create()中调用的sk_alloc()函数中初始化。由于 
	 * tcp_prot中没有设置bind接口,因此判断条件不成立。 
	 */  
	if (sk->sk_prot->bind) {  
		err = sk->sk_prot->bind(sk, uaddr, addr_len);  
		goto out;  
	}  
	err = -EINVAL;  
	if (addr_len < sizeof(struct sockaddr_in))  
		goto out;  
  
	/* 
	 * 判断传入的地址类型。 
	 */  
	chk_addr_ret = inet_addr_type(sock_net(sk), addr->sin_addr.s_addr);  
  
	/* Not specified by any standard per-se, however it breaks too 
	 * many applications when removed.  It is unfortunate since 
	 * allowing applications to make a non-local bind solves 
	 * several problems with systems using dynamic addressing. 
	 * (ie. your servers still start up even if your ISDN link 
	 *  is temporarily down) 
	 */  
	err = -EADDRNOTAVAIL;  
	/* 
	 * 如果系统不支持绑定本地地址,或者 
	 * 传入的地址类型有误,则返回EADDRNOTAVAIL 
	 * 错误。 
	 */  
	if (!sysctl_ip_nonlocal_bind &&  
		!(inet->freebind || inet->transparent) &&  
		addr->sin_addr.s_addr != htonl(INADDR_ANY) &&  
		chk_addr_ret != RTN_LOCAL &&  
		chk_addr_ret != RTN_MULTICAST &&  
		chk_addr_ret != RTN_BROADCAST)  
		goto out;  
  
	snum = ntohs(addr->sin_port);  
	err = -EACCES;  
	/* 
	 * 如果绑定的端口号小于1024(保留端口号),但是 
	 * 当前用户没有CAP_NET_BIND_SERVICE权限,则返回EACCESS错误。 
	 */  
	if (snum && snum < PROT_SOCK && !capable(CAP_NET_BIND_SERVICE))  
		goto out;  
  
	/*      We keep a pair of addresses. rcv_saddr is the one 
	 *      used by hash lookups, and saddr is used for transmit. 
	 * 
	 *      In the BSD API these are the same except where it 
	 *      would be illegal to use them (multicast/broadcast) in 
	 *      which case the sending device address is used. 
	 */  
	lock_sock(sk);  
  
	/* Check these errors (active socket, double bind). */  
	err = -EINVAL;  
	/* 
	 * 如果套接字状态不是TCP_CLOSE(套接字的初始状态,参见 
	 * sock_init_data()函数),或者已经绑定过,则返回EINVAL错误。 
	 */  
	if (sk->sk_state != TCP_CLOSE || inet->num)  
		goto out_release_sock;  
  
	inet->rcv_saddr = inet->saddr = addr->sin_addr.s_addr;  
	if (chk_addr_ret == RTN_MULTICAST || chk_addr_ret == RTN_BROADCAST)  
		inet->saddr = 0;  /* Use device */  
  
	/* Make sure we are allowed to bind here. */  
	/* 
	 * 这里实际调用的是inet_csk_get_port()函数。 
	 * 检查要绑定的端口号是否已经使用,如果已经使用, 
	 * 则检查是否允许复用。如果检查失败,则返回 
	 * EADDRINUSE错误。 
	 */  
	if (sk->sk_prot->get_port(sk, snum)) {  
		inet->saddr = inet->rcv_saddr = 0;  
		err = -EADDRINUSE;  
		goto out_release_sock;  
	}  
  
	/* 
	 * rcv_saddr存储的是已绑定的本地地址,接收数据时使用。 
	 * 如果已绑定的地址不为0,则设置SOCK_BINDADDR_LOCK标志, 
	 * 表示已绑定本地地址。 
	 */  
	if (inet->rcv_saddr)  
		sk->sk_userlocks |= SOCK_BINDADDR_LOCK;  
	/* 
	 * 如果绑定的端口号不为0,则设置SOCK_BINDPORT_LOCK标志, 
	 * 表示已绑定本地端口号。 
	 */  
	if (snum)  
		sk->sk_userlocks |= SOCK_BINDPORT_LOCK;  
	inet->sport = htons(inet->num);  
	inet->daddr = 0;  
	inet->dport = 0;  
	/* 
	 * 重新初始化目的路由缓存项,如果之前已设置,则 
	 * 调用dst_release()释放老的路由缓存项。 
	 */  
	sk_dst_reset(sk);  
	err = 0;  
out_release_sock:  
	release_sock(sk);  
out:  
	return err;  
}

socket接收连接 sys_accept

http://linux.chinaunix.net/techdoc/net/

http://linux.chinaunix.net/techdoc/net/2008/12/30/1055672.shtml

这一节我们开始分析如何接收TCP的socket的连接请求,象以前的分析章节一样我们先看练习中的用户界面

1
accept(server_sockfd, (struct sockaddr *)&client_address, client_len);

还是以前的分析方法,这里要注意第二个参数,client_address,它是在我们的测试程序中另外声明用于保存客户端socket地址的数据结构变量。其他二个参数无需多说。还是按照以前的方式我们直接看sys_socketcall()函数的代码部分

1
2
3
4
case SYS_ACCEPT:
	err = sys_accept(a0, (struct sockaddr __user *)a1,
		 (int __user *)a[2]);
	break;

显然是进入sys_accept()这个函数

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
sys_socketcall()-->sys_accept()
asmlinkage long sys_accept(int fd, struct sockaddr __user *upeer_sockaddr,
			 int __user *upeer_addrlen)
{
	struct socket *sock, *newsock;
	struct file *newfile;
	int err, len, newfd, fput_needed;
	char address[MAX_SOCK_ADDR];
	sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);
	if (!sock)
		goto out;
	err = -ENFILE;
	if (!(newsock = sock_alloc()))
		goto out_put;
	newsock->type = sock->type;
	newsock->ops = sock->ops;
	/*
	 * We don't need try_module_get here, as the listening socket (sock)
	 * has the protocol module (sock->ops->owner) held.qinjian
	 */
	__module_get(newsock->ops->owner);
	newfd = sock_alloc_fd(&newfile);
	if (unlikely(newfd  0)) {
		err = newfd;
		sock_release(newsock);
		goto out_put;
	}
	err = sock_attach_fd(newsock, newfile);
	if (err  0)
		goto out_fd_simple;
	err = security_socket_accept(sock, newsock);
	if (err)
		goto out_fd;
	err = sock->ops->accept(sock, newsock, sock->file->f_flags);
	if (err  0)
		goto out_fd;
	if (upeer_sockaddr) {
		if (newsock->ops->getname(newsock, (struct sockaddr *)address,
					 &len, 2)  0) {
			err = -ECONNABORTED;
			goto out_fd;
		}
		err = move_addr_to_user(address, len, upeer_sockaddr,
					upeer_addrlen);
		if (err  0)
			goto out_fd;
	}
	/* File flags are not inherited via accept() unlike another OSes.QJ */
	fd_install(newfd, newfile);
	err = newfd;
	security_socket_post_accept(sock, newsock);
out_put:
	fput_light(sock->file, fput_needed);
out:
	return err;
out_fd_simple:
	sock_release(newsock);
	put_filp(newfile);
	put_unused_fd(newfd);
	goto out_put;
out_fd:
	fput(newfile);
	put_unused_fd(newfd);
	goto out_put;
}

这个函数总的作用就是使服务端的socket能够创建与客户端连接的“子连接”,也就是会利用服务器端的socket创建一个新的能与客户端建立连接的socket,而且会把新连接的socket的id号,返回到我们测试程序中的client_sockfd,同时也把客户端的socket地址保存在client_address中,函数中首先会进入sockfd_lookup_light()中找到我们服务器端的socket,这个函数前面章节中用到多次了不再进入细细分析了,接着函数中调用sock_alloc()函数创建一个新的socket,此后为这个新创建的socket分配一个可用的文件号,然后能过sock_attach_fd使其与文件号挂钩。最重要的当属这句代码

1
err = sock->ops->accept(sock, newsock, sock->file->f_flags);

这部分开始入手分析TCP的socket是如何执行的,这里会进入inet_stream_ops中执行,可能有些朋友是直接阅读本文的,最好是看一下前面的章节理清是如何进入这个函数的,我们这里不再重复了。

1
2
3
4
5
const struct proto_ops inet_stream_ops = {
	。。。。。。
	.accept         = inet_accept,
	。。。。。。
};

我们再次看一下af_inet.c中的这个数据结构,很显然进入了inet_accept()函数

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
sys_socketcall()-->sys_accept()-->inet_accept()
int inet_accept(struct socket *sock, struct socket *newsock, int flags)
{
	struct sock *sk1 = sock->sk;
	int err = -EINVAL;
	struct sock *sk2 = sk1->sk_prot->accept(sk1, flags, &err);
	if (!sk2)
		goto do_err;
	lock_sock(sk2);
	BUG_TRAP((1  sk2->sk_state) &
		 (TCPF_ESTABLISHED | TCPF_CLOSE_WAIT | TCPF_CLOSE));
	sock_graft(sk2, newsock);
	newsock->state = SS_CONNECTED;
	err = 0;
	release_sock(sk2);
do_err:
	return err;
}

进入这个函数的时候已经找到了我们前面建立的socket结构,而newsock是我们新分配建立的socket结构,我们看到上面函数中执行了

1
struct sock *sk2 = sk1->sk_prot->accept(sk1, flags, &err);

进而进入了钩子函数中执行,那里的struct proto tcp_prot结构变量可以看到

1
2
3
4
5
struct proto tcp_prot = {
	。。。。。。
	.accept            = inet_csk_accept,
	。。。。。。
};

很显然是执行的inet_csk_accept()函数

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
sys_socketcall()-->sys_accept()-->inet_accept()-->inet_csk_accept()
struct sock *inet_csk_accept(struct sock *sk, int flags, int *err)
{
	struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
	struct sock *newsk;
	int error;
	lock_sock(sk);
	/* We need to make sure that this socket is listening,
	 * and that it has something pending.qinjian
	 */
	error = -EINVAL;
	if (sk->sk_state != TCP_LISTEN)
		goto out_err;
	/* Find already established connection */
	if (reqsk_queue_empty(&icsk->icsk_accept_queue)) {
		long timeo = sock_rcvtimeo(sk, flags & O_NONBLOCK);
		/* If this is a non blocking socket don't sleep */
		error = -EAGAIN;
		if (!timeo)
			goto out_err;
		error = inet_csk_wait_for_connect(sk, timeo);
		if (error)
			goto out_err;
	}
	newsk = reqsk_queue_get_child(&icsk->icsk_accept_queue, sk);
	BUG_TRAP(newsk->sk_state != TCP_SYN_RECV);
out:
	release_sock(sk);
	return newsk;
out_err:
	newsk = NULL;
	*err = error;
	goto out;
}

象往常叙述的一样首先是在sock中取得struct inet_connection_sock结构,然后判断一下sock的状态是否已经处于监听状态,如果没有处于监听状态的话就不能接收了,只好出错返回了。接着是检查icsk中的icsk_accept_queue请求队列是否为空,因为我们练习中还未启动客户端程序,所以此时还没有连接请求到来,这个队列现在是空的,所以进入if语句,sock_rcvtimeo()是根据是否允许“阻塞”即等待,而取得sock结构中的sk_rcvtimeo时间值,然后根据这个值进入inet_csk_wait_for_connect()函数中

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
sys_socketcall()-->sys_accept()-->inet_accept()-->inet_csk_accept()-->inet_csk_wait_for_connect()
static int inet_csk_wait_for_connect(struct sock *sk, long timeo)
{
	struct inet_connection_sock *icsk = inet_csk(sk);
	DEFINE_WAIT(wait);
	int err;
	/*
	 * True wake-one mechanism for incoming connections: only
	 * one process gets woken up, not the 'whole herd'.
	 * Since we do not 'race & poll' for established sockets
	 * anymore, the common case will execute the loop only once.
	 *
	 * Subtle issue: "add_wait_queue_exclusive()" will be added
	 * after any current non-exclusive waiters, and we know that
	 * it will always _stay_ after any new non-exclusive waiters
	 * because all non-exclusive waiters are added at the
	 * beginning of the wait-queue. As such, it's ok to "drop"
	 * our exclusiveness temporarily when we get woken up without
	 * having to remove and re-insert us on the wait queue.wumingxiaozu
	 */
	for (;;) {
		prepare_to_wait_exclusive(sk->sk_sleep, &wait,
					 TASK_INTERRUPTIBLE);
		release_sock(sk);
		if (reqsk_queue_empty(&icsk->icsk_accept_queue))
			timeo = schedule_timeout(timeo);
		lock_sock(sk);
		err = 0;
		if (!reqsk_queue_empty(&icsk->icsk_accept_queue))
			break;
		err = -EINVAL;
		if (sk->sk_state != TCP_LISTEN)
			break;
		err = sock_intr_errno(timeo);
		if (signal_pending(current))
			break;
		err = -EAGAIN;
		if (!timeo)
			break;
	}
	finish_wait(sk->sk_sleep, &wait);
	return err;
}

函数首先是调用了宏来声明一个等待队列

1
2
3
4
5
6
#define DEFINE_WAIT(name)                                \
wait_queue_t name = {                                    \
	.private      = current,                             \
	.func         = autoremove_wake_function,            \
	.task_list    = LIST_HEAD_INIT((name).task_list),    \
}

关于等待队列的具体概念我们留在以后专门的章节中论述,这里可以看出是根据当前进程而建立的名为wait的等待队列,接着函数中调用了

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
sys_socketcall()-->sys_accept()-->inet_accept()-->inet_csk_accept()-->inet_csk_wait_for_connect()-->prepare_to_wait_exclusive()
void
prepare_to_wait_exclusive(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait, int state)
{
	unsigned long flags;
	wait->flags |= WQ_FLAG_EXCLUSIVE;
	spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);
	if (list_empty(&wait->task_list))
		__add_wait_queue_tail(q, wait);
	/*
	 * don't alter the task state if this is just going to
	  * queue an async wait queue callback wumingxiaozu
	 */
	if (is_sync_wait(wait))
		set_current_state(state);
	spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);
}

接着要把这里创建的wait,即当前进程的这里的等待队列挂入sk中的sk_sleep队列,这样我们可以理解到多个进程都可以对一个socket并发的连接,这个函数与我们所说的等待队列部分内容是密切相关的,我们只简单的叙述一下,函数中主要是将我们上面建立的等待队列插入到这里的sock结构中的sk_sleep所指定的等待队列头中,此后再次调用reqsk_queue_empty()函数检查一下icsk_accept_queue是否为空,如果还为空就说明没有连接请求到来,开始睡眠等待了,schedule_timeout()这个函数与时钟密切相关,所以请朋友们参考其他资料,这里是根据我们上面得到的定时时间来进入睡眠的。

当从这个函数返回时,再次锁住sock防止其他进程打扰,然后这里还是判断一下icsk_accept_queue是否为空,如果还为空的话就要跳出for循环了,醒来后还要检查一下是否是因为信号而醒来的,如果有信号就要处理信号signal_pending(),最后如果睡眠的时间已经用完了也会跳出循环,跳出循环后就要将这里的等待队列从sock中的sk_sleep中摘链。

我们回到inet_csk_accept()函数中继续往下看,如果这时队列icsk_accept_queue不为空,即有连接请求到来怎么办呢,继续看下面的代码

1
newsk = reqsk_queue_get_child(&icsk->icsk_accept_queue, sk);

这里看到是进入了reqsk_queue_get_child函数中

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
sys_socketcall()-->sys_accept()-->inet_accept()-->inet_csk_accept()-->reqsk_queue_get_child()
static inline struct sock *reqsk_queue_get_child(struct request_sock_queue *queue,
						 struct sock *parent)
{
	struct request_sock *req = reqsk_queue_remove(queue);
	struct sock *child = req->sk;
	BUG_TRAP(child != NULL);
	sk_acceptq_removed(parent);
	__reqsk_free(req);
	return child;
}

函数中首先是调用了reqsk_queue_remove()从队列中摘下一个已经到来的request_sock结构

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
sys_socketcall()-->sys_accept()-->inet_accept()-->inet_csk_accept()-->reqsk_queue_get_child()-->reqsk_queue_remove()
static inline struct request_sock *reqsk_queue_remove(struct request_sock_queue *queue)
{
	struct request_sock *req = queue->rskq_accept_head;
	BUG_TRAP(req != NULL);
	queue->rskq_accept_head = req->dl_next;
	if (queue->rskq_accept_head == NULL)
		queue->rskq_accept_tail = NULL;
	return req;
}

很明显上面函数中是从队列的rskq_accept_head摘下一个已经到来的request_sock这个结构是从客户端请求连接时挂入的,reqsk_queue_get_child()函数在这里把request_sock中载运的sock结构返回到inet_csk_accept中的局部变量newsk使用。而sk_acceptq_removed是递减我们服务器端sock中的sk_ack_backlog。

然后__reqsk_free释放掉request_sock结构。回到inet_csk_accept函数中,然后返回我们间接从icsk->icsk_accept_queue队列中获得了与客户端密切相关的sock结构。这个与客户端密切相关的结构是由我们服务器端在响应底层驱动的数据包过程中建立的,我们将在后边讲解完客户端的连接请求把这一过程补上,这里假设我们已经接收到了客户端的数据包并且服务器端为此专门建了这个与客户端数据包相联系的sock结构,接着返回到inet_accept()函数中,接着调用sock_graft()函数,注意参数sock_graft(sk2, newsock);sk2是我们上边叙述的与客户端密切相关的sock结构,是从接收队列中获得的。

而newsock,则是我们服务器端为了这个代表客户端的sock结构而准备的新的socket。我们以前说过,socket结构在具体应用上分为二部分,另一部分是这里的sock结构,因为sock是与具体的协议即以前所说的规程的相关,所以变化比较大,而socket比较通用,所以我们上面通过socket_alloc()只是分配了通用部分的socket结构,并没有建立对应协议的sock结构,那么我们分配的新的socket的所需要的sock是从哪里来的呢,我们可以在代码中看到他是取的代表客户端的sock结构,与我们新建的socket挂入的,看一下这个关键的函数

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
sys_socketcall()-->sys_accept()-->inet_accept()-->sock_graft()
static inline void sock_graft(struct sock *sk, struct socket *parent)
{
	write_lock_bh(&sk->sk_callback_lock);
	sk->sk_sleep = &parent->wait;
	parent->sk = sk;
	sk->sk_socket = parent;
	security_sock_graft(sk, parent);
	write_unlock_bh(&sk->sk_callback_lock);
}

上面传递的参数是

1
sock_graft(sk2, newsock);

sk2是代表我们客户端的sock,newsock是我们服务器端的新socket,可以看出上面的sock_graft,graft是嫁接的意思,从函数面上就可以理解了,然后其内部就是将服务器端新建的socket与客户端的sock“挂钩了”,从此以后,这个socket就是服务器端与客户端通讯的桥梁了。这样回到上面的inet_accept函数时,我们看到将newsock->state = SS_CONNECTED;也就是状态改变成了连接状态,而以前的服务器的socket并没有任何的状态改变,那个socket继续覆行他的使命“孵化”新的socket。回到我们的sys_accept()函数中下面接着看,我们在练习中看到需要获得客户端的地址,在那个章节中我们又走到了

1
newsock->ops->getname(newsock, (struct sockaddr )address, &len, 2)

这要看我们在sys_accpet()函数中新创建的newsock的ops钩子结构了,很明显我们在sys_accept()函数中看到了newsock->ops = sock->ops;所以newsock是使用的已经建立的服务器端的inet_stream_ops结构变量,我们可以在这个结构中看到

1
2
3
4
5
const struct proto_ops inet_stream_ops = {
	。。。。。。
	.getname     = inet_getname,
	。。。。。。
};

因此进入了inet_getname()函数,这个函数在/net/ipv4/af_inet.c中的683行处。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
sys_accept()-->inet_getname()
int inet_getname(struct socket *sock, struct sockaddr *uaddr,
			int *uaddr_len, int peer)
{
	struct sock *sk        = sock->sk;
	struct inet_sock *inet    = inet_sk(sk);
	struct sockaddr_in *sin    = (struct sockaddr_in *)uaddr;
	sin->sin_family = AF_INET;
	if (peer) {
		if (!inet->dport ||
		 (((1  sk->sk_state) & (TCPF_CLOSE | TCPF_SYN_SENT)) &&
		 peer == 1))
			return -ENOTCONN;
		sin->sin_port = inet->dport;
		sin->sin_addr.s_addr = inet->daddr;
	} else {
		__be32 addr = inet->rcv_saddr;
		if (!addr)
			addr = inet->saddr;
		sin->sin_port = inet->sport;
		sin->sin_addr.s_addr = addr;
	}
	memset(sin->sin_zero, 0, sizeof(sin->sin_zero));
	*uaddr_len = sizeof(*sin);
	return 0;
}

在上面的代码中,关键的是这二句

1
2
sin->sin_port = inet->dport;
sin->sin_addr.s_addr = inet->daddr;

这里直接将我们练习中的准备接收的数组address转换成tcp的地址结构struct sockaddr_in指针,然后直接用上面二句赋值了,我们看到他是使用的我们刚刚提到的从icsk->icsk_accept_queue接收队列中得到的sock进而得到了inet_sock专用于INET的sock结构

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
struct inet_sock {
	/* sk and pinet6 has to be the first two members of inet_sock */
	struct sock        sk;
#if defined(CONFIG_IPV6) || defined(CONFIG_IPV6_MODULE)
	struct ipv6_pinfo    *pinet6;
#endif
	/* Socket demultiplex comparisons on incoming packets.wumingxiaozu */
	__be32               daddr;
	__be32               rcv_saddr;
	__be16               dport;
	__u16                num;
	__be32               saddr;
	__s16                uc_ttl;
	__u16                cmsg_flags;
	struct ip_options    *opt;
	__be16               sport;
	__u16                id;
	__u8                 tos;
	__u8                 mc_ttl;
	__u8                 pmtudisc;
	__u8                 recverr:1,
	                     is_icsk:1,
	                     freebind:1,
	                     hdrincl:1,
	                     mc_loop:1;
	int                  mc_index;
	__be32               mc_addr;
	struct ip_mc_socklist    *mc_list;
	struct {
		unsigned int        flags;
		unsigned int        fragsize;
		struct ip_options   *opt;
		struct dst_entry    *dst;
		int                 length; /* Total length of all frames */
		__be32              addr;
		struct flowi        fl;
	} cork;
};

这个结构中的头一个变量就是sock结构,所以这里直接将sock的地址做为inet_sock结构的开始是完全可以的,这也就是inet_sk()这个函数的主要作用

1
2
3
4
5
sys_accept()-->inet_getname()-->inet_sk()
static inline struct inet_sock *inet_sk(const struct sock *sk)
{
	return (struct inet_sock *)sk;
}

那么可能会有朋友问我们只是从icsk->icsk_accept_queue接收队列中间接得到了sock结构指针并没有看到inet_sock结构指针啊?请朋友们相信我们在后边叙述完了客户端的连接请求过程后会把这部分给补上的,所以这里的inet_sock肯定是在服务器的底层驱动相关的部分完成的,我们将在完成客户端的连接后分析这部分的关键内容。所以我们看到这里将inet_sock结构中的请求方即客户端的端口和地址间接设置进了应用程序的地址结构变量client_address就取得了客户端的地址,这个过程是在sys_accept()中使用

1
2
err = move_addr_to_user(address, len, upeer_sockaddr,
				upeer_addrlen);

将客户端的socket地址复制给我们的应用程序界面。我们上边已经通过inet_getname()函数复制客户端的地址到address数组中了,这样通过move_addr_to_user()函数后,我们程序界面上client_address就得到了客户端的socket地址。接着我们看到函数执行了fd_install()函数,即为新创建的socket分配一个文件号和file结构,有关没有详述的函数请朋友们参考深入理解LINUX内核第三版中的介绍,自己阅读暂且做为一种练习吧。 朋友们看到这里可以结合一下我们的地图,因为截止到现在我们都是围绕着地图中的服务器角度来分析的,接下来的章节我们将转换到客户端的角度来分析。

Receive packet steering patch详解

http://simohayha.iteye.com/blog/720850

Receive packet steering简称rps,是google贡献给linux kernel的一个patch,主要的功能是解决多核情况下,网络协议栈的软中断的负载均衡。这里的负载均衡也就是指能够将软中断均衡的放在不同的cpu核心上运行。

简介在这里:
http://lwn.net/Articles/362339/

linux现在网卡的驱动支持两种模式,一种是NAPI,一种是非NAPI模式,这两种模式的区别,我前面的blog都有介绍,这里就再次简要的介绍下。

在NAPI中,中断收到数据包后调用__napi_schedule调度软中断,然后软中断处理函数中会调用注册的poll回掉函数中调用netif_receive_skb将数据包发送到3层,没有进行任何的软中断负载均衡。

在非NAPI中,中断收到数据包后调用netif_rx,这个函数会将数据包保存到input_pkt_queue,然后调度软中断,这里为了兼容NAPI的驱动,他的poll方法默认是process_backlog,最终这个函数会从input_pkt_queue中取得数据包然后发送到3层。

通过比较我们可以看到,不管是NAPI还是非NAPI的话都无法做到软中断的负载均衡,因为软中断此时都是运行在在硬件中断相应的cpu上。也就是说如果始终是cpu0相应网卡的硬件中断,那么始终都是cpu0在处理软中断,而此时cpu1就被浪费了,因为无法并行的执行多个软中断。

google的这个patch的基本原理是这样的,根据数据包的源地址,目的地址以及目的和源端口(这里它是将两个端口组合成一个4字节的无符数进行计算的,后面会看到)计算出一个hash值,然后根据这个hash值来选择软中断运行的cpu,从上层来看,也就是说将每个连接和cpu绑定,并通过这个hash值,来均衡软中断在多个cpu上。

这个介绍比较简单,我们来看代码是如何实现的。

它这里主要是hook了两个内核的函数,一个是netif_rx主要是针对非NAPI的驱动,一个是netif_receive_skb这个主要是针对NAPI的驱动,这两个函数我前面blog都有介绍过,想了解可以看我前面的blog,现在这里我只介绍打过patch的实现。

在看netif_rx和netif_receive_skb之前,我们先来看这个patch中两个重要的函数get_rps_cpu和enqueue_to_backlog,我们一个个看。

先来看相关的两个数据结构,首先是netdev_rx_queue,它表示对应的接收队列,因为有的网卡可能硬件上就支持多队列的模式,此时对应就会有多个rx队列,这个结构是挂载在net_device中的,也就是每个网络设备最终都会有一个或者多个rx队列。这个结构在sys文件系统中的表示类似这样的/sys/class/net//queues/rx- 几个队列就是rx-n.

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
struct netdev_rx_queue {
	// 保存了当前队列的rps map
	struct rps_map *rps_map;
	// 对应的kobject
	struct kobject kobj;
	// 指向第一个rx队列
	struct netdev_rx_queue *first;
	// 引用计数
	atomic_t count;
} ____cacheline_aligned_in_smp;

然后就是rps_map,其实这个也就是保存了能够执行数据包的cpu。

1
2
3
4
5
6
7
8
struct rps_map {
	// cpu的个数,也就是cpus数组的个数
	unsigned int len;
	// RCU锁
	struct rcu_head rcu;
	// 保存了cpu的id.
	u16 cpus[0];
};

看完上面的结构,我们来看函数的实现。 get_rps_cpu主要是通过传递进来的skb然后来选择这个skb所应该被处理的cpu。它的逻辑很简单,就是通过skb计算hash,然后通过hash从对应的队列的rps_mapping中取得对应的cpu id。

这里有个要注意的就是这个hash值是可以交给硬件网卡去计算的,作者自己说是最好交由硬件去计算这个hash值,因为如果是软件计算的话会导致CPU 缓存不命中,带来一定的性能开销。

还有就是rps_mapping这个值是可以通过sys 文件系统设置的,位置在这里: /sys/class/net//queues/rx-/rps_cpus 。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
static int get_rps_cpu(struct net_device *dev, struct sk_buff *skb)
{
	struct ipv6hdr *ip6;
	struct iphdr *ip;
	struct netdev_rx_queue *rxqueue;
	struct rps_map *map;
	int cpu = -1;
	u8 ip_proto;
	u32 addr1, addr2, ports, ihl;
	// rcu锁
	rcu_read_lock();
	// 取得设备对应的rx 队列
	if (skb_rx_queue_recorded(skb)) {
	..........................................
		rxqueue = dev->_rx + index;
	} else
		rxqueue = dev->_rx;

	if (!rxqueue->rps_map)
		goto done;
	// 如果硬件已经计算,则跳过计算过程
	if (skb->rxhash)
		goto got_hash; /* Skip hash computation on packet header */

	switch (skb->protocol) {
	case __constant_htons(ETH_P_IP):
		if (!pskb_may_pull(skb, sizeof(*ip)))
			goto done;
		// 得到计算hash的几个值
		ip = (struct iphdr *) skb->data;
		ip_proto = ip->protocol;
		// 两个地址
		addr1 = ip->saddr;
		addr2 = ip->daddr;
		// 得到ip头
		ihl = ip->ihl;
		break;
	case __constant_htons(ETH_P_IPV6):
		..........................................
		break;
	default:
		goto done;
	}
	ports = 0;
	switch (ip_proto) {
	case IPPROTO_TCP:
	case IPPROTO_UDP:
	case IPPROTO_DCCP:
	case IPPROTO_ESP:
	case IPPROTO_AH:
	case IPPROTO_SCTP:
	case IPPROTO_UDPLITE:
		if (pskb_may_pull(skb, (ihl * 4) + 4))
		// 我们知道tcp头的前4个字节就是源和目的端口,因此这里跳过ip头得到tcp头的前4个字节
			ports = *((u32 *) (skb->data + (ihl * 4)));
		break;

	default:
		break;
	}
	// 计算hash
	skb->rxhash = jhash_3words(addr1, addr2, ports, hashrnd);
	if (!skb->rxhash)
		skb->rxhash = 1;

got_hash:
	// 通过rcu得到对应rps map
	map = rcu_dereference(rxqueue->rps_map);
	if (map) {
		// 取得对应的cpu
		u16 tcpu = map->cpus[((u64) skb->rxhash * map->len) >> 32];
		// 如果cpu是online的,则返回计算出的这个cpu,否则跳出循环。
		if (cpu_online(tcpu)) {
			cpu = tcpu;
			goto done;
		}
	}

done:
	rcu_read_unlock();
	// 如果上面失败,则返回-1.
	return cpu;
}

然后是enqueue_to_backlog这个方法,首先我们知道在每个cpu都有一个softnet结构,而他有一个input_pkt_queue的队列,以前这个主要是用于非NAPi的驱动的,而这个patch则将这个队列也用与NAPI的处理中了。也就是每个cpu现在都会有一个input_pkt_queue队列,用于保存需要处理的数据包队列。这个队列作用现在是,如果发现不属于当前cpu处理的数据包,则我们可以直接将数据包挂载到他所属的cpu的input_pkt_queue中。

enqueue_to_backlog接受一个skb和cpu为参数,通过cpu来判断skb如何处理。要么加入所属的input_pkt_queue中,要么schecule 软中断。

还有个要注意就是我们知道NAPI为了兼容非NAPI模式,有个backlog的napi_struct结构,也就是非NAPI驱动会schedule backlog这个napi结构,而在enqueue_to_backlog中则是利用了这个结构,也就是它会schedule backlog,因为它会将数据放到input_pkt_queue中,而backlog的pool方法process_backlog就是从input_pkt_queue中取得数据然后交给上层处理。

这里还有一个会用到结构就是 rps_remote_softirq_cpus,它主要是保存了当前cpu上需要去另外的cpu schedule 软中断的cpu 掩码。因为我们可能将要处理的数据包放到了另外的cpu的input queue上,因此我们需要schedule 另外的cpu上的napi(也就是软中断),所以我们需要保存对应的cpu掩码,以便于后面遍历,然后schedule。

而这里为什么mask有两个元素,注释写的很清楚:

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
/*
 * This structure holds the per-CPU mask of CPUs for which IPIs are scheduled
 * to be sent to kick remote softirq processing.  There are two masks since
 * the sending of IPIs must be done with interrupts enabled.  The select field
 * indicates the current mask that enqueue_backlog uses to schedule IPIs.
 * select is flipped before net_rps_action is called while still under lock,
 * net_rps_action then uses the non-selected mask to send the IPIs and clears
 * it without conflicting with enqueue_backlog operation.
 */
struct rps_remote_softirq_cpus {
	// 对应的cpu掩码
	cpumask_t mask[2];
	// 表示应该使用的数组索引
	int select;
};
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
static int enqueue_to_backlog(struct sk_buff *skb, int cpu)
{
	struct softnet_data *queue;
	unsigned long flags;
	// 取出传递进来的cpu的softnet-data结构
	queue = &per_cpu(softnet_data, cpu);

	local_irq_save(flags);
	__get_cpu_var(netdev_rx_stat).total++;
	// 自旋锁
	spin_lock(&queue->input_pkt_queue.lock);
	// 如果保存的队列还没到上限
	if (queue->input_pkt_queue.qlen <= netdev_max_backlog) {
	// 如果当前队列的输入队列长度不为空
		if (queue->input_pkt_queue.qlen) {
enqueue:
			// 将数据包加入到input_pkt_queue中,这里会有一个小问题,我们后面再说。
			__skb_queue_tail(&queue->input_pkt_queue, skb);
			spin_unlock_irqrestore(&queue->input_pkt_queue.lock,
				flags);
			return NET_RX_SUCCESS;
		}

		/* Schedule NAPI for backlog device */
		// 如果可以调度软中断
		if (napi_schedule_prep(&queue->backlog)) {
			// 首先判断数据包该不该当前的cpu处理
			if (cpu != smp_processor_id()) {
				// 如果不该,
				struct rps_remote_softirq_cpus *rcpus =
					&__get_cpu_var(rps_remote_softirq_cpus);

				cpu_set(cpu, rcpus->mask[rcpus->select]);
				__raise_softirq_irqoff(NET_RX_SOFTIRQ);
			} else
				// 如果就是应该当前cpu处理,则直接schedule 软中断,这里可以看到传递进去的是backlog
				__napi_schedule(&queue->backlog);
		}
		goto enqueue;
	}

	spin_unlock(&queue->input_pkt_queue.lock);

	__get_cpu_var(netdev_rx_stat).dropped++;
	local_irq_restore(flags);

	kfree_skb(skb);
	return NET_RX_DROP;
}

这里会有一个小问题,那就是假设此时一个属于cpu0的包进入处理,此时我们运行在cpu1,此时将数据包加入到input队列,然后cpu0上面刚好又来了一个cpu0需要处理的数据包,此时由于qlen不为0则又将数据包加入到input队列中,我们会发现cpu0上的napi没机会进行调度了。

google的patch对这个是这样处理的,在软中断处理函数中当数据包处理完毕,会调用net_rps_action来调度前面保存到其他cpu上的input队列。

下面就是代码片断(net_rx_action)

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
// 得到对应的rcpus.
rcpus = &__get_cpu_var(rps_remote_softirq_cpus);
	select = rcpus->select;
	// 翻转select,防止和enqueue_backlog冲突
	rcpus->select ^= 1;

	// 打开中断,此时下面的调度才会起作用.
	local_irq_enable();
	// 这个函数里面调度对应的远程cpu的napi.
	net_rps_action(&rcpus->mask[select]);

然后就是net_rps_action,这个函数很简单,就是遍历所需要处理的cpu,然后调度napi

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
static void net_rps_action(cpumask_t *mask)
{
	int cpu;

	/* Send pending IPI's to kick RPS processing on remote cpus. */
	// 遍历
	for_each_cpu_mask_nr(cpu, *mask) {
		struct softnet_data *queue = &per_cpu(softnet_data, cpu);
		if (cpu_online(cpu))
			// 到对应的cpu调用csd方法。
			__smp_call_function_single(cpu, &queue->csd, 0);
	}
	// 清理mask
	cpus_clear(*mask);
}

上面我们看到会调用csd方法,而上面的csd回掉就是被初始化为trigger_softirq函数。

1
2
3
4
5
6
7
static void trigger_softirq(void *data)
{
	struct softnet_data *queue = data;
	// 调度napi可以看到依旧是backlog 这个napi结构体。
	__napi_schedule(&queue->backlog);
	__get_cpu_var(netdev_rx_stat).received_rps++;
}

上面的函数都分析完毕了,剩下的就很简单了。

首先来看netif_rx如何被修改的,它被修改的很简单,首先是得到当前skb所应该被处理的cpu id,然后再通过比较这个cpu和当前正在处理的cpu id进行比较来做不同的处理。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
int netif_rx(struct sk_buff *skb)
{
	int cpu;

	/* if netpoll wants it, pretend we never saw it */
	if (netpoll_rx(skb))
		return NET_RX_DROP;

	if (!skb->tstamp.tv64)
		net_timestamp(skb);
	// 得到cpu id。
	cpu = get_rps_cpu(skb->dev, skb);
	if (cpu < 0)
		cpu = smp_processor_id();
	// 通过cpu进行队列不同的处理
	return enqueue_to_backlog(skb, cpu);
}

然后是netif_receive_skb,这里patch将内核本身的这个函数改写为__netif_receive_skb。然后当返回值小于0,则说明不需要对队列进行处理,此时直接发送到3层。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
int netif_receive_skb(struct sk_buff *skb)
{
	int cpu;

	cpu = get_rps_cpu(skb->dev, skb);

	if (cpu < 0)
		return __netif_receive_skb(skb);
	else
		return enqueue_to_backlog(skb, cpu);
}

最后来总结一下,可以看到input_pkt_queue是一个FIFO的队列,而且如果当qlen有值的时候,也就是在另外的cpu有数据包放到input_pkt_queue中,则当前cpu不会调度napi,而是将数据包放到input_pkt_queue中,然后等待trigger_softirq来调度napi。

因此这个patch完美的解决了软中断在多核下的均衡问题,并且没有由于是同一个连接会map到相同的cpu,并且input_pkt_queue的使用,因此乱序的问题也不会出现。