从linux源码看socket的阻塞和非阻塞

Dear 丶 2022-05-27 02:25 203阅读 0赞

从linux源码看socket的阻塞和非阻塞

笔者一直觉得如果能知道从应用到框架再到操作系统的每一处代码，是一件Exciting的事情。
大部分高性能网络框架采用的是非阻塞模式。笔者这次就从linux源码的角度来阐述socket阻塞(block)和非阻塞(non_block)的区别。 本文源码均来自采用Linux-2.6.24内核版本。

一个TCP非阻塞client端简单的例子

如果我们要产生一个非阻塞的socket,在C语言中如下代码所示:

  1. // 创建socket
  2. int sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
  3. ...
  4. // 更改socket为nonblock
  5. fcntl(sock_fd, F_SETFL, fdflags | O_NONBLOCK);
  6. // connect
  7. ....
  8. while(1)  {  
  9.     int recvlen = recv(sock_fd, recvbuf, RECV_BUF_SIZE) ; 
  10.     ......
  11. } 
  12. ...

由于网络协议非常复杂，内核里面用到了大量的面向对象的技巧，所以我们从创建连接开始，一步一步追述到最后代码的调用点。

socket的创建

很明显，内核的第一步应该是通过AF_INET、SOCK_STREAM以及最后一个参数0定位到需要创建一个TCP的socket,如下图绿线所示:
inet\_family
我们跟踪源码调用

  1. socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0) |->sys_socket 进入系统调用 |->sock_create |->__sock_create

进一步分析__sock_create的代码判断:

  1. const struct net_proto_family *pf;
  2. // RCU(Read-Copy Update)是linux的一种内核同步方法，在此不阐述
  3. // family=INET
  4. pf = rcu_dereference(net_families[family]);
  5. err = pf->create(net, sock, protocol);

由于family是AF_INET协议，注意在操作系统里面定义了PF_INET等于AF_INET, 内核通过函数指针实现了对pf(net_proto_family)的重载。如下图所示:
net\_proto\_family

则通过源码可知，由于是AF_INET(PF_INET),所以net_families[PF_INET].create=inet_create(以后我们都用PF_INET表示)，即
pf->create = inet_create; 进一步追溯调用:

  1. inet_create(struct net *net, struct socket *sock, int protocol){ Sock* sock; ...... // 此处是寻找对应协议处理器的过程 lookup_protocol: // 迭代寻找protocol==answer->protocol的情况 list_for_each_rcu(p, &inetsw[sock->type]) answer = list_entry(p, struct inet_protosw, list); /* Check the non-wild match. */ if (protocol == answer->protocol) { if (protocol != IPPROTO_IP) break; } ...... // 这边answer指的是SOCK_STREAM sock->ops = answer->ops; answer_no_check = answer->no_check; // 这边sk->prot就是answer_prot=>tcp_prot sk = sk_alloc(net, PF_INET, GFP_KERNEL, answer_prot); sock_init_data(sock, sk); ...... }

上面的代码就是在INET中寻找SOCK_STREAM的过程了 我们再看一下inetsw[SOCK_STREAM]的具体配置:

  1. static struct inet_protosw inetsw_array[] =
  2. {
  3.     {
  4.         .type =       SOCK_STREAM,
  5.         .protocol =   IPPROTO_TCP,
  6.         .prot =       &tcp_prot,
  7.         .ops =        &inet_stream_ops,
  8.         .capability = -1,
  9.         .no_check =   0,
  10.         .flags =      INET_PROTOSW_PERMANENT |
  11.                   INET_PROTOSW_ICSK,
  12.     },
  13.     ......
  14. }

这边也用了重载，AF_INET有TCP、UDP以及Raw三种:
sock\_ops\_proto

从上述代码，我们可以清楚的发现sock->ops=&inet_stream_ops;

  1. const struct proto_ops inet_stream_ops = {
  2.     .family           = PF_INET,
  3.     .owner           = THIS_MODULE,
  4.     ......
  5.     .sendmsg       = tcp_sendmsg,
  6.     .recvmsg       = sock_common_recvmsg,
  7.     ......
  8. }

即sock->ops->recvmsg = sock_common_recvmsg;
同时sock->sk->sk_prot = tcp_prot;

我们再看下tcp_prot中的各个函数重载的定义:

  1. struct proto tcp_prot = {
  2.     .name            = "TCP",
  3.     .close            = tcp_close,
  4.     .connect        = tcp_v4_connect,
  5.     .disconnect        = tcp_disconnect,
  6.     .accept            = inet_csk_accept,
  7.     ......
  8.     // 我们重点考察tcp的读
  9.     .recvmsg        = tcp_recvmsg,
  10.     ......
  11. }

fcntl控制socket的阻塞\非阻塞状态

我们用fcntl修改socket的阻塞\非阻塞状态。 事实上: fcntl的作用就是将O_NONBLOCK标志位存储在sock_fd对应的filp结构的f_lags里,如下图所示。

fcntl

  1. fcntl(sock_fd, F_SETFL, fdflags | O_NONBLOCK);
  2.     |->setfl

追踪setfl代码:

  1. static int setfl(int fd, struct file * filp, unsigned long arg) { ...... filp->f_flags = (arg & SETFL_MASK) | (filp->f_flags & ~SETFL_MASK); ...... }

上图中，由sock_fd在task_struct(进程结构体)->files_struct->fd_array中找到对应的socket的file描述符，再修改file->flags

在调用socket.recv的时候

我们跟踪源码调用:

  1. socket.recv |->sys_recv |->sys_recvfrom |->sock_recvmsg |->__sock_recvmsg |->sock->ops->recvmsg

由上文可知: sock->ops->recvmsg = sock_common_recvmsg;

sock

值得注意的是,在sock_recmsg中,有对标识O_NONBLOCK的处理

  1. if (sock->file->f_flags & O_NONBLOCK) flags |= MSG_DONTWAIT;

上述代码中sock关联的file中获取其f_flags,如果flags有O_NONBLOCK标识，那么就设置msg_flags为MSG_DONTWAIT(不等待)。
fcntl与socket就是通过其共同操作File结构关联起来的。

继续跟踪调用

sock_common_recvmsg

  1. int sock_common_recvmsg(struct kiocb *iocb, struct socket *sock,
  2.             struct msghdr *msg, size_t size, int flags) {
  3.     ......
  4.     // 如果flags的MSG_DONTWAIT标识置位，则传给recvmsg的第5个参数为正,否则为0
  5.     err = sk->sk_prot->recvmsg(iocb, sk, msg, size, flags & MSG_DONTWAIT,
  6.                    flags & ~MSG_DONTWAIT, &addr_len);
  7.     .....                   
  8. }

由上文可知: sk->sk_prot->recvmsg 其中sk_prot=tcp_prot,即最终调用的是tcp_prot->tcp_recvmsg,
上面的代码可以看出，如果fcntl(O_NONBLOCK)=>MSG_DONTWAIT置位=>(flags & MSG_DONTWAIT)>0, 再结合tcp_recvmsg的函数签名,即如果设置了O_NONBLOCK的话，设置给tcp_recvmsg的nonblock参数>0,关系如下图所示:
fcntl\_recvmsg.png

最终的调用逻辑tcp_recvmsg

首先我们看下tcp_recvmsg的函数签名:

  1. int tcp_recvmsg(struct kiocb *iocb, struct sock *sk, struct msghdr *msg,
  2.         size_t len, int nonblock, int flags, int *addr_len)

显然我们关注焦点在(int nonblock这个参数上):

  1. int tcp_recvmsg(struct kiocb *iocb, struct sock *sk, struct msghdr *msg,
  2.         size_t len, int nonblock, int flags, int *addr_len){
  3.     ......    
  4.     // copied是指向用户空间拷贝了多少字节，即读了多少
  5.     int copied;
  6.     // target指的是期望多少字节
  7.     int target;
  8.     // 等效为timo = noblock ? 0 : sk->sk_rcvtimeo;
  9.     timeo = sock_rcvtimeo(sk, nonblock);
  10.     ......    
  11.     // 如果设置了MSG_WAITALL标识target=需要读的长度
  12.     // 如果未设置，则为最低低水位值
  13.     target = sock_rcvlowat(sk, flags & MSG_WAITALL, len);
  14.     ......
  16.     do{
  17.         // 表明读到数据
  18.         if (copied) {
  19.             // 注意，这边只要!timeo，即nonblock设置了就会跳出循环
  20.             if (sk->sk_err ||
  21.                 sk->sk_state == TCP_CLOSE ||
  22.                 (sk->sk_shutdown & RCV_SHUTDOWN) ||
  23.                 !timeo ||
  24.                 signal_pending(current) ||
  25.                 (flags & MSG_PEEK))
  26.             break;
  27.         }else{
  28.             // 到这里，表明没有读到任何数据
  29.             // 且nonblock设置了导致timeo=0，则返回-EAGAIN,符合我们的预期
  30.             if (!timeo) {
  31.                 copied = -EAGAIN;
  32.                 break;
  33.         }
  34.         // 这边如果堵到了期望的数据，继续，否则当前进程阻塞在sk_wait_data上
  35.         if (copied >= target) {
  36.             /* Do not sleep, just process backlog. */
  37.             release_sock(sk);
  38.             lock_sock(sk);
  39.         } else
  40.             sk_wait_data(sk, &timeo);
  41.     } while (len > 0);        
  42.     ......
  43.     return copied
  44. }

上面的逻辑归结起来就是：
(1)在设置了nonblock的时候，如果copied>0,则返回读了多少字节,如果copied=0，则返回-EAGAIN,提示应用重复调用。
(2)如果没有设置nonblock，如果读取的数据>=期望，则返回读取了多少字节。如果没有则用sk_wait_data将当前进程等待。
如下流程图所示:

tcp\_recv

阻塞函数sk_wait_data

sk_wait_data代码-函数为:

  1. // 将进程状态设置为可打断INTERRUPTIBLE prepare_to_wait(sk->sk_sleep, &wait, TASK_INTERRUPTIBLE); set_bit(SOCK_ASYNC_WAITDATA, &sk->sk_socket->flags); // 通过调用schedule_timeout让出CPU，然后进行睡眠 rc = sk_wait_event(sk, timeo, !skb_queue_empty(&sk->sk_receive_queue)); // 到这里的时候，有网络事件或超时事件唤醒了此进程，继续运行 clear_bit(SOCK_ASYNC_WAITDATA, &sk->sk_socket->flags); finish_wait(sk->sk_sleep, &wait);

该函数调用schedule_timeout进入睡眠，其进一步调用了schedule函数，首先从运行队列删除，其次加入到等待队列，最后调用和体系结构相关的switch_to宏来完成进程间的切换。
如下图所示:
task\_schedule

阻塞后什么时候恢复运行呢

情况1:有对应的网络数据到来

首先我们看下网络分组到来的内核路径，网卡发起中断后调用netif_rx将事件挂入CPU的等待队列，并唤起软中断(soft_irq)，再通过linux的软中断机制调用net_rx_action，如下图所示:

low\_recv
注:上图来自PLKA(<<深入Linux内核架构>>)
紧接着跟踪next_rx_action

  1. next_rx_action |-process_backlog ...... |->packet_type->func 在这里我们考虑ip_rcv |->ipprot->handler 在这里ipprot重载为tcp_protocol (handler 即为tcp_v4_rcv)

紧接着tcp_v4_rcv:

  1. tcp_input.c tcp_v4_rcv |-tcp_v4_do_rcv |-tcp_rcv_state_process |-tcp_data_queue |-sk->sk_data_ready=sock_def_readable |-wake_up_interruptible |-__wake_up |-__wake_up_common

在这里__wake_up_common将停在当前wait_queue_head_t中的进程唤醒，即状态改为task_running，等待CFS调度以进行下一步的动作,如下图所示。

wake\_up

情况2:设定的超时时间到来

在前面调用sk_wait_event中调用了schedule_timeout

  1. fastcall signed long __sched schedule_timeout(signed long timeout) { ...... // 设定超时的回掉函数为process_timeout setup_timer(&timer, process_timeout, (unsigned long)current); __mod_timer(&timer, expire); // 这边让出CPU schedule(); del_singleshot_timer_sync(&timer); timeout = expire - jiffies; out: // 返回经过了多长事件 return timeout < 0 ? 0 : timeout; }

process_timeout函数即是将此进程重新唤醒

  1. static void process_timeout(unsigned long __data) { wake_up_process((struct task_struct *)__data); }

总结

linux内核源代码博大精深，阅读其代码很费周折。希望笔者这篇文章能帮助到阅读linux网络协议栈代码的人。

原文地址

https://my.oschina.net/alchemystar/blog/1791017

发表评论

表情：
评论列表 （有 0 条评论，203人围观）

还没有评论，来说两句吧...

相关阅读

    相关 非阻塞式socket

    引言 返回错误EWOULDBLOCK或EAGAIN。 套接字的默认状态是阻塞的。这就意味着当发出一个不能立即完成的套接字调用时，其进 程将被投入睡眠，等待相应操作

    忘是亡心i忘是亡心i/ 0 赞/ 274 阅读