深入理解Linux网络（四）：TCP接收阻塞

TCP socket 接收函数 recv 发出 recvfrom 系统调用。
进⼊系统调⽤后，⽤户进程就进⼊到了内核态，通过执⾏⼀系列的内核协议层函数，然后到 socket 对象的接收队列中查看是否有数据，没有的话就把⾃⼰添加到 socket 对应的等待队列⾥。最后让出CPU，操作系统会选择下⼀个就绪状态的进程来执⾏。

假如我们没有使⽤ O_NONBLOCK 标记，等待接收的过程会阻塞进程，但是我们先探究阻塞的过程。

//file: net/socket.c
SYSCALL_DEFINE6(recvfrom, int, fd, void __user *, ubuf, size_t,size, unsigned int, flags, struct sockaddr __user *, addr,int __user *, addr_len)
{struct socket *sock;//根据⽤户传⼊的 fd 找到 socket 对象sock = sockfd_lookup_light(fd, &err, &fput_needed);......err = sock_recvmsg(sock, &msg, size, flags);......
}

sock_recvmsg -> __sock_recvmsg -> __sock_recvmsg_nosec

static inline int __sock_recvmsg_nosec(struct kiocb *iocb, struct socket *sock,struct msghdr *msg, size_t size, int flags)
{......return sock->ops->recvmsg(iocb, sock, msg, size, flags);
}

在之前的 socket 对象图中，从图中看到 recvmsg 指向的是 inet_recvmsg 方法。

//file: net/ipv4/af_inet.c
int inet_recvmsg(struct kiocb *iocb, struct socket *sock,
struct msghdr *msg, size_t size, int flags)
{...err = sk->sk_prot->recvmsg(iocb, sk, msg, size, flags & MSG_DONTWAIT,flags & ~MSG_DONTWAIT, &addr_len);

这里又出现了一个 recvmsg 函数指针，不过这个是socket 对象中的 recvmsg 方法，对应 TCP 协议的 tcp_recvmsg 方法。

//file: net/ipv4/tcp.c
int tcp_recvmsg(struct kiocb *iocb, struct sock *sk, struct msghdr *msg,size_t len, int nonblock, int flags, int *addr_len)
{int copied = 0;...do {//遍历接收队列接收数据skb_queue_walk(&sk->sk_receive_queue, skb) {...}...}if (copied >= target) {release_sock(sk);lock_sock(sk);} else //没有收到⾜够数据，启⽤ sk_wait_data 阻塞当前进程sk_wait_data(sk, &timeo);
}

可以看到，消息量不够，一样也会阻塞。

如果没有收到数据，或者收到不⾜够多，则调⽤ sk_wait_data 把当前进程阻塞掉。

//file: net/core/sock.c
int sk_wait_data(struct sock *sk, long *timeo)
{//当前进程(current)关联到所定义的等待队列项上DEFINE_WAIT(wait);// 调⽤ sk_sleep 获取 sock 对象下的 wait// 并准备挂起，将进程状态设置为可打断 INTERRUPTIBLEprepare_to_wait(sk_sleep(sk), &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));...

sk_wait_data 阻塞进程的实现：

做完排队工作后，给所在进程改个状态位即可。
⾸先在 DEFINE_WAIT 宏下，定义了⼀个等待队列项 wait。 在这个新的等待队列项上，注册了回调函数 autoremove_wake_function，并把当前进程描述符 current 关联到其 .private 成员上。

//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), \}

紧接着在 sk_wait_data 中 调⽤ sk_sleep 获取 sock 对象下的等待队列列表头 wait_queue_head_t。
sk_sleep 源代码如下：

//file: include/net/sock.h
static inline wait_queue_head_t *sk_sleep(struct sock *sk)
{BUILD_BUG_ON(offsetof(struct socket_wq, wait) != 0);return &rcu_dereference_raw(sk->sk_wq)->wait;
}

接着调⽤ prepare_to_wait 来把新定义的等待队列项 wait 插⼊到 sock 对象的等待队下。

//file: kernel/wait.c
void prepare_to_wait(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(q, wait);set_current_state(state);spin_unlock_irqrestore(&q->lock, flags);
}

这样后⾯当内核收完数据产⽣就绪时间的时候，就可以查找 socket 等待队列上的等待项，进⽽就可以找到回调函数和在等待该 socket 就绪事件的进程了。
最后再调⽤ sk_wait_event 让出 CPU，进程将进⼊睡眠状态，这会导致⼀次进程上下⽂的开销。