深入理解Linux网络（五）：TCP接收唤醒

news2025/1/9 2:21:06

深入理解Linux网络（五）：TCP接收唤醒

TCP接收唤醒由软中断提供服务。
在这里插入图片描述

软中断（也就是 Linux ⾥的 ksoftirqd 进程）⾥收到数据包以后，发现是 tcp 的包的话就会执⾏到 tcp_v4_rcv 函数。接着如果是 ESTABLISH 状态下的数据包，则最终会把数据拆出来放到对应 socket 的接收队列中。然后调⽤ sk_data_ready 来唤醒⽤户进程。

// file: net/ipv4/tcp_ipv4.c
int tcp_v4_rcv(struct sk_buff *skb)
{
 ......
 th = tcp_hdr(skb); //获取tcp header
 iph = ip_hdr(skb); //获取ip header
 //根据数据包 header 中的 ip、端⼝信息查找到对应的socket
 sk = __inet_lookup_skb(&tcp_hashinfo, skb, th->source, th->dest);
 ......
 //socket 未被⽤户锁定
 if (!sock_owned_by_user(sk)) {
 {
  if (!tcp_prequeue(sk, skb))
  ret = tcp_v4_do_rcv(sk, skb);
 }
 }
}

在 tcp_v4_rcv 中⾸先根据收到的⽹络包的 header ⾥的 source 和 dest 信息来在本机上查询对应的 socket。找到以后，我们直接进⼊接收的主体函数 tcp_v4_do_rcv 来看。

//file: net/ipv4/tcp_ipv4.c
int tcp_v4_do_rcv(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
 if (sk->sk_state == TCP_ESTABLISHED) {
 //执⾏连接状态下的数据处理
 if (tcp_rcv_established(sk, skb, tcp_hdr(skb), skb->len)) {
 rsk = sk;
 goto reset;
 }
 return 0;
 }
 //其它⾮ ESTABLISH 状态的数据包处理
 ......
}

我们假设处理的是 ESTABLISH 状态下的包，这样就⼜进⼊ tcp_rcv_established 函数中进⾏处理。

//file: net/ipv4/tcp_input.c
int tcp_rcv_established(struct sock *sk, struct sk_buff *skb,
 const struct tcphdr *th, unsigned int len)
{
 ......
 //接收数据到队列中
 eaten = tcp_queue_rcv(sk, skb, tcp_header_len,
 &fragstolen);
 //数据 ready，唤醒 socket 上阻塞掉的进程
 sk->sk_data_ready(sk, 0);

在 tcp_rcv_established 中通过调⽤ tcp_queue_rcv 函数中完成了将接收数据放到 socket 的接收队列上。
在这里插入图片描述

//file: net/ipv4/tcp_input.c
static int __must_check tcp_queue_rcv(struct sock *sk, struct
  sk_buff *skb, int hdrlen, bool *fragstolen)
{
 //把接收到的数据放到 socket 的接收队列的尾部
 if (!eaten) {
   __skb_queue_tail(&sk->sk_receive_queue, skb);
   skb_set_owner_r(skb, sk);
 }
 return eaten;
}

调⽤ tcp_queue_rcv 接收完成之后，接着再调⽤ sk_data_ready 来唤醒在socket上等待的⽤户进程。
这⼜是⼀个函数指针。回想上⾯我们在创建 socket 流程⾥执⾏到的 sock_init_data 函数，在这个函数⾥已经把 sk_data_ready 设置成 sock_def_readable 函数了。它是默认的数据就绪处理函数。

//file: net/core/sock.c
static void sock_def_readable(struct sock *sk, int len)
{
 struct socket_wq *wq;
 rcu_read_lock();
 wq = rcu_dereference(sk->sk_wq);
 //有进程在此 socket 的等待队列
 if (wq_has_sleeper(wq))
   //唤醒等待队列上的进程
   wake_up_interruptible_sync_poll(&wq->wait, POLLIN | POLLPRI| POLLRDNORM | POLLRDBAND);
 sk_wake_async(sk, SOCK_WAKE_WAITD, POLL_IN);
 rcu_read_unlock();
}

在 sock_def_readable 中再⼀次访问到了 sock->sk_wq 下的wait。回忆下我们前⾯调⽤ recvfrom 执⾏的最后，通过 DEFINE_WAIT(wait) 将当前进程关联的等待队列添加到 sock->sk_wq 下的 wait ⾥了。
那接下来就是调⽤ wake_up_interruptible_sync_poll 来唤醒在 socket 上因为等待数据⽽被阻塞掉的进程了。
在这里插入图片描述

//file: include/linux/wait.h
#define wake_up_interruptible_sync_poll(x, m) \
 __wake_up_sync_key((x), TASK_INTERRUPTIBLE, 1, (void *) (m))

//file: kernel/sched/core.c
void __wake_up_sync_key(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode, int nr_exclusive, void *key)
{
 unsigned long flags;
 int wake_flags = WF_SYNC;
 if (unlikely(!q))
  return;
 if (unlikely(!nr_exclusive))
  wake_flags = 0;
  
 spin_lock_irqsave(&q->lock, flags);
 __wake_up_common(q, mode, nr_exclusive, wake_flags, key);
 spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);
}

__wake_up_common 实现唤醒。这⾥注意下，该函数调⽤是参数 nr_exclusive 传⼊的是 1，这⾥指的是即使是有多个进程都阻塞在同⼀个 socket 上，也只唤醒 1 个进程。其作⽤是为了避免惊群。

//file: kernel/sched/core.c
static void __wake_up_common(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode,
 int nr_exclusive, int wake_flags, void *key)
{
 wait_queue_t *curr, *next;
 list_for_each_entry_safe(curr, next, &q->task_list, task_list) {
   unsigned flags = curr->flags;
   if (curr->func(curr, mode, wake_flags, key) &&
     (flags & WQ_FLAG_EXCLUSIVE) && !--nr_exclusive)
     break;
 }
}

在 __wake_up_common 中找出⼀个等待队列项 curr，然后调⽤其 curr->func。在 recv 函数执⾏的时候，使⽤ DEFINE_WAIT() 定义等待队列项的细节，内核把 curr->func 设置成了 autoremove_wake_function。

//file: include/linux/wait.h
#define DEFINE_WAIT(name) DEFINE_WAIT_FUNC(name, autoremove_wake_function)
#define DEFINE_WAIT_FUNC(name, function) \
 wait_queue_t name = { \
  .private = current, \
  .func = function, \
  .task_list = LIST_HEAD_INIT((name).task_list), \
 }

autoremove_wake_function 又调⽤了 default_wake_function。

//file: kernel/sched/core.c
int default_wake_function(wait_queue_t *curr, unsigned mode, int wake_flags, void *key)
{
 return try_to_wake_up(curr->private, mode, wake_flags);
}