Socket层实现系列 — I/O事件及其处理函数
主要内容:Socket I/O事件的定义、I/O处理函数的实现。
内核版本:3.15.2
我的博客:http://blog.csdn.net/zhangskd
I/O事件定义
sock中定义了几个I/O事件,当协议栈遇到这些事件时,会调用它们的处理函数。
struct sock { ... struct socket_wq __rcu *sk_wq; /* socket的等待队列和异步通知队列 */ ... /* callback to indicate change in the state of the sock. * sock状态改变时调用,比如从TCP_SYN_SENT或TCP_SYN_RECV变为TCP_ESTABLISHED, * 导致connect()的唤醒。比如从TCP_ESTABLISHED变为TCP_CLOSE_WAIT。 */ void (*sk_state_change) (struct sock *sk); /* callback to indicate there is data to be processed. * sock上有数据可读时调用,比如服务器端收到第三次握手的ACK时会调用,导致accept()的唤醒。 */ void (*sk_data_ready) (struct sock *sk); /* callback to indicate there is buffer sending space available. * sock上有发送空间可写时调用,比如发送缓存变得足够大了。 */ void (*sk_write_space) (struct sock *sk); /* callback to indicate errors (e.g. %MSG_ERRQUEUE) * sock上有错误发生时调用,比如收到RST包。 */ void (*sk_error_report) (struct sock *sk); ... };
Socket I/O事件的默认处理函数在sock初始化时赋值。
对于SOCK_STREAM类型的Socket,sock有发送缓存可写事件会被更新为sk_stream_write_space。
void sock_init_data(struct socket *sock, struct sock *sk) { ... sk->sk_state_change = sock_def_wakeup; /* sock状态改变事件 */ sk->sk_data_ready = sock_def_readable; /* sock有数据可读事件 */ sk->sk_write_space = sock_def_write_space; /* sock有发送缓存可写事件 */ sk->sk_error_report = sock_def_error_report; /* sock有IO错误事件 */ ... }
判断socket的等待队列上是否有进程。
static inline bool wq_has_sleeper(struct socket_wq *wq) { smp_mb(); return wq && waitqueue_active(&wq->wait); }
状态改变事件
sk->sk_state_change的实例为sock_def_wakeup(),当sock的状态发生改变时,会调用此函数来进行处理。
static void sock_def_wakeup(struct sock *sk) { struct socket_wq *wq; /* socket的等待队列和异步通知队列 */ rcu_read_lock(); wq = rcu_dereference(sk->sk_wq); if (wq_has_sleeper(wq)) /* 有进程阻塞在此socket上 */ wake_up_interruptible_all(&wq->wait); /* 唤醒此socket上的所有睡眠进程 */ rcu_read_unlock(); }
#define wake_up_interruptible_all(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 0, NULL) void __wake_up(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode, int nr_exclusive, void *key) { unsigned long flags; spin_lock_irqsave(&q->lock, flags); __wake_up_common(q, mode, nr_exclusive, 0, key); spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags); }
初始化等待任务时,如果flags设置了WQ_FLAG_EXCLUSIVE,那么传入的nr_exclusive为1,
表示只允许唤醒一个等待任务,这是为了避免惊群现象。否则会把t等待队列上的所有睡眠进程都唤醒。
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; } }
最终调用的是等待任务中的处理函数,默认为autoremove_wake_function()。
#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), \ } int autoremove_wake_function(wait_queue_t *wait, unsigned mode, int sync, void *key) { int ret = default_wake_function(wait, mode, sync, key); /* 默认的唤醒函数 */ if (ret) list_del_init(&wait->task_list); /* 从等待队列中删除 */ return ret; } 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); }
try_to_wake_up()通过把进程的状态设置为TASK_RUNNING,并把进程插入CPU运行队列,来唤醒睡眠的进程。
有数据可读事件
sk->sk_data_ready的实例为sock_def_readable(),当sock有输入数据可读时,会调用此函数来处理。
static void sock_def_readable(struct sock *sk) { struct socket_wq *wq; /* socket的等待队列和异步通知队列 */ rcu_read_lock(); wq = rcu_dereference(sk->sk_wq); if (wq_has_sleeper(wq)) /* 有进程在此socket的等待队列 */ wake_up_interruptible_sync_poll(&wq->wait, POLLIN | POLLPRI | POLLRDNORM | POLLRDBAND); /* 唤醒等待进程 */ /* 异步通知队列的处理。 * 检查应用程序是否通过recv()类调用来等待接收数据,如果没有就发送SIGIO信号, * 告知它有数据可读。 * how为函数的处理方式,band为用来告知的IO类型。 */ sk_wake_async(sk, SOCK_WAKE_WAITD, POLL_IN); }
#define wake_up_interruptible_sync_poll(x, m) \ __wake_up_sync_key((x), TASK_INTERRUPTIBLE, 1, (void *) (m)) void __wake_up_sync_key(wait_queue_head_t *q, unsigned int mode, int nr_exclusive, void *key) { unsigned long flags; int wake_flags = 1; /* XXX WF_SYNC */ if (unlikely(!q)) return; if (unlikely(nr_exclusive != 1)) 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); }
最终也是调用__wake_up_common()。初始化等待任务时,flags |= WQ_FLAG_EXCLUSIVE。
传入的nr_exclusive为1,表示只允许唤醒一个等待任务。所以这里只会唤醒一个等待的进程。
有缓存可写事件
sk->sk_write_space的实例为sock_def_write_space()。
如果socket是SOCK_STREAM类型的,那么函数指针的值会更新为sk_stream_write_space()。
sk_stream_write_space()在TCP中的调用路径为:
tcp_rcv_established / tcp_rcv_state_process
tcp_data_snd_check
tcp_check_space
tcp_new_space
/* When incoming ACK allowed to free some skb from write_queue, * we remember this event in flag SOCK_QUEUE_SHRUNK and wake up socket * on the exit from tcp input handler. */ static void tcp_new_space(struct sock *sk) { struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk); if (tcp_should_expand_sndbuf(sk)) { tcp_sndbuf_expand(sk); tp->snd_cwnd_stamp = tcp_time_stamp; } /* 检查是否需要触发有缓存可写事件 */ sk->sk_write_space(sk); }
void sk_stream_write_space(struct sock *sk) { struct socket *sock = sk->sk_socket; struct socket_wq *wq; /* 等待队列和异步通知队列 */ /* 如果剩余的发送缓存不低于发送缓存上限的1/3,且尚未发送的数据不高于一定值时 */ if (sk_stream_is_writeable(sk) && sock) { clear_bit(SOCK_NOSPACE, &sock->flags); /* 清除发送缓存不够的标志 */ rcu_read_lock(); wq = rcu_dereference(sk->sk_wq); /* socket的等待队列和异步通知队列 */ if (wq_has_sleeper(wq)) /* 如果等待队列不为空,则唤醒一个睡眠进程 */ wake_up_interruptible_poll(&wq->wait, POLLOUT | POLLWRNORM | POLLWRBAND); /* 异步通知队列不为空,且允许发送数据时。 * 检测sock的发送队列是否曾经到达上限,如果有的话发送SIGIO信号,告知异步通知队列上 * 的进程有发送缓存可写。 */ if (wq && wq->fasync_list && !(sk->sk_shutdown & SEND_SHUTDOWN)) sock_wake_async(sock, SOCK_WAKE_SPACE, POLL_OUT); rcu_read_unlock(); } } #define wake_up_interruptible_poll(x, m) \ __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, (void *) (m))
最终也是调用__wake_up_common()。初始化等待任务时,flags |= WQ_FLAG_EXCLUSIVE。
传入的nr_exclusive为1,表示只允许唤醒一个等待进程。
struct sock { ... /* 发送队列中,skb数据区的总大小 */ atomic_t sk_wmem_alloc; ... int sk_sndbuf; /* 发送缓冲区大小的上限 */ struct sk_buff_head sk_write_queue; /* 发送队列 */ ... /* 发送队列的总大小,包含发送队列中skb数据区的总大小, * 以及sk_buff、sk_shared_info结构体、协议头的额外开销。 */ int sk_wmem_queued; ... };
如果剩余的发送缓存大于发送缓存上限的1/3,且尚未发送的数据少于一定值时,才会触发有发送
缓存可写的事件。
static inline bool sk_stream_is_writeable(const struct sock *sk) { return sk_stream_wspace(sk) >= sk_stream_min_wspace(sk) && sk_stream_memory_free(sk); } static inline int sk_stream_wspace(const struct sock *sk) { return sk->sk_sndbuf - sk->sk_wmem_queued; } static inline int sk_stream_min_wspace(const struct sock *sk) { return sk->sk_wmem_queued >> 1; }
检查尚未发送的数据是否已经够多了,如果超过了用户设置的值,就不用触发有发送缓存可写事件,
以免使用过多的内存。
static inline bool sk_stream_memory_free(const struct sock *sk) { if (sk->sk_wmem_queued >= sk->sk_sndbuf) return false; return sk->sk_prot->stream_memory_free ? sk->sk_prot->stream_memory_free(sk) : true; } struct proto tcp_prot = { ... .stream_memory_free = tcp_stream_memory_free, ... }; static inline bool tcp_stream_memory_free(const struct sock *sk) { const struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk); u32 notsent_bytes = tp->write_seq - tp->snd_nxt; /* 尚未发送的数据大小 */ /* 当尚未发送的数据,少于配置的值时,才触发有发送缓存可写的事件。 * 这是为了避免发送缓存占用过多的内存。 */ return notsent_bytes < tcp_notsent_lowat(tp); }
如果有使用TCP_NOTSENT_LOWAT选项,则使用用户设置的值。
否则使用sysctl_tcp_notsent_lowat,默认为无穷大。
static inline u32 tcp_notsent_lowat(const struct tcp_sock *tp) { return tp->notsent_lowat ?: sysctl_tcp_notsent_lowat; }
有I/O错误事件
sk->sk_error_report的实例为sock_def_error_report()。
在以下函数中会调用I/O错误事件处理函数:
tcp_disconnect
tcp_reset
tcp_v4_err
tcp_write_err
static void sock_def_error_report(struct sock *sk) { struct socket_wq *wq; /* 等待队列和异步通知队列 */ rcu_read_lock(); wq = rcu_dereference(sk->sk_wq); if (wq_has_sleeper(wq)) /* 有进程阻塞在此socket上 */ wake_up_interruptible_poll(&wq->wait, POLLERR); /* 如果使用了异步通知,则发送SIGIO信号通知进程有错误 */ sk_wake_async(sk, SOCK_WAKE_IO, POLL_ERR); } #define wake_up_interruptible_poll(x, m) \ __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, (void *) (m))
最终也是调用__wake_up_common(),由于nr_exclusive为1,只会唤醒socket上的一个等待进程。