《LwIP协议栈源码详解——TCP/IP协议的实现》数据包pbuf

姓名：朱小鹏   学号：16010130023

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【嵌牛导读】：WIP中常用到的内存分配策略有两种，一种是内存堆分配，一种是内存池分配，在LWIP中，将这两种分配策略混合使用，达到了很好的内存使用效率。

【嵌牛鼻子】：LWIP的数据包缓冲的实现

【嵌牛提问】：LWIP中如何实现数据包缓冲？

【嵌牛正文】：

昨天讲过了LWIP的内存分配机制。再来总之一下，LWIP中常用到的内存分配策略有两种，一种是内存堆分配，一种是内存池分配。前者可以说能随心所欲的分配我们需要的合理大小的内存块(又是‘的’)，缺点是当经过多次的分配释放后，内存堆中间会出现很多碎片，使得需要分配较大内存块时分配失败；后者分配速度快，就是简单的链表操作，因为各种类型的POOL是我们事先建立好的，但是采用POOL会有些情况下会浪费掉一定的内存空间。在LWIP中，将这两种分配策略混合使用，达到了很好的内存使用效率。

下面我们将来看看LWIP中是怎样合理利用这两种分配策略的。这就顺利的过渡到了这节要讨论的话题：LWIP的数据包缓冲的实现。

在协议栈中移动的数据包，最无疑的是整个内存管理中最重要的部分了。数据包的种类和大小也可以说是五花八门，数数，首先从网卡上来的原始数据包，它可以是长达上千个字节的TCP数据包，也可以是仅有几个字节的ICMP数据包；再从要发送的数据包看，上层应用可能将自己要发送的千奇百怪形态各异的数据包递交给LWIP协议栈发送，这些数据可能存在于应用程序管理的内存空间内，也可能存在于某个ROM上。注意，这里有个核心的东西是当数据在各层之间传递时，LWIP极力禁止数据的拷贝工作，因为这样会耗费大量的时间和内存。综上，LWIP必须有个高效的数据包管理核心，它即能海纳百川似的兼容各种类型的数据，又能避免在各层之间的复制数据的巨大开销。

数据包管理机构采用数据结构pbuf来描述数据包，其源码如下，

struct pbuf {

struct pbuf *next;

void *payload;

u16_t tot_len;

u16_t len;

u8_ttype;

u8_t flags;

u16_t ref;

};

这个看似简单的数据结构，却够我讲一大歇的了！next字段指针指向下一个pbuf结构，因为实际发送或接收的数据包可能很大，而每个pbuf能够管理的数据可能很少，所以，往往需要多个pbuf结构才能完全描述一个数据包。所以，所有的描述同一个数据包的pbuf结构需要链在一个链表上，这一点用next实现。payload是数据指针，指向该pbuf管理的数据的起始地址，这里，数据的起始地址可以是紧跟在pbuf结构之后的RAM，也可能是在ROM上的某个地址，而决定这点的是当前pbuf是什么类型的，即type字段的值，这在下面将继续讨论。len字段表示当前pbuf中的有效数据长度，而tot_len表示当前pbuf和其后所有pbuf的有效数据的长度。显然，tot_len字段是len字段与pbuf链中随后一个pbuf的tot_len字段的和；pbuf链中第一个pbuf的tot_len字段表示整个数据包的长度，而最后一个pbuf的tot_len字段必和len字段相等。type字段表示pbuf的类型，主要有四种类型，这点基本上涉及到pbuf管理中最难的部分，将在下节仔细讨论。文档上说flags字段也表示pbuf的类型，不懂，type字段不是说明了pbuf的类型吗？不过在源代码里，初始化一个pbuf的时候，是将该字段的值设为0，而在其他地方也没有用到该字段，所以，这里直接忽略掉。最后ref字段表示该pbuf被引用的次数。这里又是一个纠结的地方啊。初始化一个pbuf的时候，ref字段值被设置为1，当有其他pbuf的next指针指向该pbuf时，该pbuf的ref字段值加一。所以，要删除一个pbuf时，ref的值必须为1才能删除成功，否则删除失败。

pbuf的类型，令人很晕的东西。pbuf有四类：PBUF_RAM、PBUF_ROM、PBUF_REF和PBUF_POOL。下面，一个一个的来看看各种类型的特点。

PBUF_RAM类型的pbuf主要通过内存堆分配得到的。这种类型的pbuf在协议栈中是用得最多的。协议栈要发送的数据和应用程序要传递的数据一般都采用这个形式。申请PBUF_RAM类型时，协议栈会在内存堆中分配相应的大小，注意，这里的大小包括如前所述的pbuf结构头大小和相应数据缓冲区，他们是在一片连续的内存区的。下面来看看源代码是怎样申请PBUF_RAM型的。其中p是pbuf型指针。

p = (struct pbuf*)mem_malloc(LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(SIZEOF_STRUCT_PBUF + offset) + LWIP_MEM_ALIGN_SIZE(length));

可以看出，系统是调用内存堆分配函数mem_malloc进行内存分配的。分配空间的大小包括：pbuf结构头大小SIZEOF_STRUCT_PBUF，需要的数据存储空间大小length，还有一个offset。关于这个offset，也有一大堆可以讨论的东西，不过先到此打住。总之，分配成功的PBUF_RAM类型的pbuf如下图：

从图中可看出pbuf头和相应数据在同一片连续的内存区种，注意payload并没有指向pbuf头结束即ref字段之后，而是隔了一定的区域。这段区域就是上面的offset的大小，这段区域用来存储数据的包头，如TCP包头，IP包头等。当然，offset也可以是0，具体值是多少，那就要看你是怎么个申请法了。如果还要深究，你肯定会更晕了。

PBUF_POOL类型和PBUF_RAM类型的pbuf有很大的相似之处，但它主要通过内存池分配得到的。这种类型的pbuf可以在极短的时间内得到分配。在接受数据包时，LWIP一般采用这种方式包装数据。申请PBUF_POOL类型时，协议栈会在内存池中分配适当的内存池个数以满足需要的申请大小。下面来看看源代码是怎样申请PBUF_POOL型的。其中p是pbuf型指针。

p = memp_malloc(MEMP_PBUF_POOL);

可以看出，系统是调用内存池分配函数memp_malloc进行内存分配的。分配成功的PBUF_POOL类型的pbuf如下图：

图中是分配指定大小的数据缓冲的结果，系统调用会分配多个固定大小的PBUF_POOL类型pbuf，并把这些pbufs链成一个链表，以满足用户的分配空间请求。

PBUF_ROM和PBUF_REF类型的pbuf基本相同，它们的申请都是在内存堆中分配一个相应的pbuf结构头，而不申请数据区的空间。这就是它们与PBUF_RAM和PBUF_POOL的最大区别。PBUF_ROM和PBUF_REF类型的区别在于前者指向ROM空间内的某段数据，而后者指向RAM空间内的某段数据。下面来看看源代码是怎样申请PBUF_ROM和PBUF_REF类型的。其中p是pbuf型指针。

p = memp_malloc(MEMP_PBUF);

可以看出，系统是调用内存池分配函数memp_malloc进行内存分配的。而此刻请求的内存池类型为MEMP_PBUF，而不是MEMP_PBUF_POOL，晕啊…这个太让人郁闷了。MEMP_PBUF类型的内存池大小恰好为一个pbuf头的大小，因为这种池是LWIP专为PBUF_ROM和PBUF_REF类型的pbuf量身制作的。LWIP还是真的很周到啊，它会为不同的数据结构量身定做不同类型的池。正确分配的PBUF_ROM或PBUF_REF类型的pbuf，其结构如下图：

注：以上所有图片都来自文档《

Design and Implementation of the LWIP：TCP/IP Stack》，这些图都有个共同的错误，即len和tot_len字段位置搞反了，窃喜。

最后说明，对于一个数据包，它可能使用上述的任意的pbuf类型，很可能的情况是，一大串不同类型的pbufs连在一起，用以保存一个数据包的数据。

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下节看点，关于pbuf的内存释放问题。