UDP之数据报接收过程(二)

UDP数据报的接收要分两部分来看：

1. 网络层接收完数据包后递交给UDP后，UDP的处理过程。该过程UDP需要做的工作就是接收数据包并对其进行校验，校验成功后将其放入接收队列中等待用户空间程序来读取。
2. 用户空间程序调用read()等系统调用读取已经放入接收队列中的数据。

这篇笔记记录了第二步。

1. 系统调用udp_recvmsg()

对于应用程序而言，读操作可以通过多个系统调用实现，如read()、recv()、recvfrom()等等，但是这些系统调用到了传输层协议，都调用到了同一接口，对于UDP就是udp_recvmsg()。

int udp_recvmsg(struct kiocb *iocb, struct sock *sk, struct msghdr *msg,
		size_t len, int noblock, int flags, int *addr_len)
{
	struct inet_sock *inet = inet_sk(sk);
	struct sockaddr_in *sin = (struct sockaddr_in *)msg->msg_name;
	struct sk_buff *skb;
	unsigned int ulen, copied;
	int peeked;
	int err;
	int is_udplite = IS_UDPLITE(sk);

	//需要返回源地址信息，设置源地址长度
	if (addr_len)
		*addr_len = sizeof(*sin);

	//如果设置了MSG_ERRQUEUE标记，那么只读取错误信息
	if (flags & MSG_ERRQUEUE)
		return ip_recv_error(sk, msg, len);

try_again:
	//根据是否需要阻塞，从接收队列中取出一个SKB
	skb = __skb_recv_datagram(sk, flags | (noblock ? MSG_DONTWAIT : 0),
				  &peeked, &err);
	if (!skb)
		goto out;

	//ulen为该SKB中包含的应用数据长度
	ulen = skb->len - sizeof(struct udphdr);
	//len为应用程序指定的buffer大小，所以下面的逻辑含义为：
	//1. 如果应用提供的buffer超过了该数据包的数据长度，那么调整要拷贝的数据量为该SKB中实际数据量
	//2. 如果应用提供的buffer不够大，那么需要截断数据包，设置截断标记
	copied = len;
	if (copied > ulen)
		copied = ulen;
	else if (copied < ulen)
		msg->msg_flags |= MSG_TRUNC;

	/*
	 * If checksum is needed at all, try to do it while copying the
	 * data.  If the data is truncated, or if we only want a partial
	 * coverage checksum (UDP-Lite), do it before the copy.
	 */
	//对于截断的数据包和尚未完成校验的数据包，先进行校验，校验出错则尝试读取下一个数据包
	//条件二实际上只用于UDPLite，因为UDP协议的校验在接收过程的第一步就完成了
	if (copied < ulen || UDP_SKB_CB(skb)->partial_cov) {
		if (udp_lib_checksum_complete(skb))
			goto csum_copy_err;
	}
	//根据是否需要校验，调用不同的数据拷贝函数
	if (skb_csum_unnecessary(skb))
		err = skb_copy_datagram_iovec(skb, sizeof(struct udphdr),
					      msg->msg_iov, copied);
	else {
	    //在数据拷贝过程中还会进行校验
		err = skb_copy_and_csum_datagram_iovec(skb,
						       sizeof(struct udphdr),
						       msg->msg_iov);
		if (err == -EINVAL)
			goto csum_copy_err;
	}
	//数据拷贝失败，返回错误
	if (err)
		goto out_free;
	//只有非PEEK读取才更新统计信息
	if (!peeked)
		UDP_INC_STATS_USER(sock_net(sk), UDP_MIB_INDATAGRAMS, is_udplite);
	//更新数据包接收的时间到sk->sk_stamp中
	sock_recv_timestamp(msg, sk, skb);

	//拷贝数据包源地址信息，该地址会返回给应用程序
	if (sin) {
		sin->sin_family = AF_INET;
		sin->sin_port = udp_hdr(skb)->source;
		sin->sin_addr.s_addr = ip_hdr(skb)->saddr;
		memset(sin->sin_zero, 0, sizeof(sin->sin_zero));
	}
	//获取控制信息
	if (inet->cmsg_flags)
		ip_cmsg_recv(msg, skb);

	//读取成功，返回值err表示的是已经读取到的字节数
	err = copied;
	if (flags & MSG_TRUNC)
		err = ulen;

out_free:
	//释放该SKB的数据
	skb_free_datagram_locked(sk, skb);
out:
	return err;

csum_copy_err:
	lock_sock(sk);
	if (!skb_kill_datagram(sk, skb, flags))
		UDP_INC_STATS_USER(sock_net(sk), UDP_MIB_INERRORS, is_udplite);
	release_sock(sk);

	if (noblock)
		return -EAGAIN;
	goto try_again;
}

1.1 从接收队列中获取SKB

/**
 *	__skb_recv_datagram - Receive a datagram skbuff
 *	@sk: socket
 *	@flags: MSG_ flags
 *	@peeked: returns non-zero if this packet has been seen before
 *	@err: error code returned
 */
struct sk_buff *__skb_recv_datagram(struct sock *sk, unsigned flags,
				    int *peeked, int *err)
{
	struct sk_buff *skb;
	long timeo;

    //如果该socket遇到了错误，返回错误
	int error = sock_error(sk);
	if (error)
		goto no_packet;

	//根据是否设置了非阻塞标记，获取超时时间。对于非阻塞模式，timeo为0
	timeo = sock_rcvtimeo(sk, flags & MSG_DONTWAIT);

	do {
		/* Again only user level code calls this function, so nothing
		 * interrupt level will suddenly eat the receive_queue.
		 *
		 * Look at current nfs client by the way...
		 * However, this function was corrent in any case. 8)
		 */
		unsigned long cpu_flags;
		//关中断并且持有接收队列的锁
		spin_lock_irqsave(&sk->sk_receive_queue.lock, cpu_flags);
		//获取接收队列中的第一个skb
		skb = skb_peek(&sk->sk_receive_queue);
		if (skb) {
			*peeked = skb->peeked;
			//如果设置了MSG_PEEK标记，那么设置skb的peek标记，并且增加对skb的引用计数，
			//该标记很重要，会影响是否释放该skb，见下文的总结
			if (flags & MSG_PEEK) {
				skb->peeked = 1;
				atomic_inc(&skb->users);
			} else
			    //非MSG_PEEK场景，将该skb从接收队列中移除
				__skb_unlink(skb, &sk->sk_receive_queue);
		}
		//释放接收队列锁并开启中断
		spin_unlock_irqrestore(&sk->sk_receive_queue.lock, cpu_flags);
		//找到了skb，直接返回
		if (skb)
			return skb;

        //当前接收队列为空，如果超时时间为0，即非阻塞模式，那么直接返回EAGAIN错误
		/* User doesn't want to wait */
		error = -EAGAIN;
		if (!timeo)
			goto no_packet;
		//没有可读数据，需要阻塞等待数据可用，阻塞在了sk->sk_sleep等待队列上
	} while (!wait_for_packet(sk, err, &timeo));

	return NULL;

no_packet:
	*err = error;
	return NULL;
}

1.1.1 skb_peek()

/**
 *	skb_peek
 *	@list_: list to peek at
 *
 *	Peek an &sk_buff. Unlike most other operations you _MUST_
 *	be careful with this one. A peek leaves the buffer on the
 *	list and someone else may run off with it. You must hold
 *	the appropriate locks or have a private queue to do this.
 *
 *	Returns %NULL for an empty list or a pointer to the head element.
 *	The reference count is not incremented and the reference is therefore
 *	volatile. Use with caution.
 */
//如注释所述，使用该函数需要小心，保证不会有并发问题。这里是在持有锁的情况下操作的
static inline struct sk_buff *skb_peek(struct sk_buff_head *list_)
{
	//该函数会返回list中第一个skb的指针，但是并不会将该skb从队列中移除，这点很重要
	struct sk_buff *list = ((struct sk_buff *)list_)->next;
	if (list == (struct sk_buff *)list_)
		list = NULL;
	return list;
}

1.1.2 __skb_unlink()

/*
 * remove sk_buff from list. _Must_ be called atomically, and with
 * the list known..
 */
//将skb从队列list中移除，典型的链表操作
static inline void __skb_unlink(struct sk_buff *skb, struct sk_buff_head *list)
{
	struct sk_buff *next, *prev;

	list->qlen--;
	next	   = skb->next;
	prev	   = skb->prev;
	skb->next  = skb->prev = NULL;
	next->prev = prev;
	prev->next = next;
}

1.2 skb_free_datagram_locked()

该函数尝试释放SKB，但是要注意，是否真的会释放最终取决于SKB自己维护的引用计数。

/*
 * Read buffer destructor automatically called from kfree_skb.
 */
void sock_rfree(struct sk_buff *skb)
{
	struct sock *sk = skb->sk;
	//该SKB将被释放，所以递减传输控制块占用的内存记账
	atomic_sub(skb->truesize, &sk->sk_rmem_alloc);
	sk_mem_uncharge(skb->sk, skb->truesize);
}

void skb_free_datagram_locked(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
	//因为如果真的触发释放SKB，那么会调用skb->destructor()回调，在接收过程的第一步，找到
	//传输控制块后，使用skb_set_owner_r()将该skb的属主设置成了当前传输控制块，当时指定的
	//回调函数是sock_rfree()，在该函数中会操作传输控制块的成员，所以这里需要提前锁定
	lock_sock(sk);
	skb_free_datagram(sk, skb);
	release_sock(sk);
}

void skb_free_datagram(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
	consume_skb(skb);
	sk_mem_reclaim_partial(sk);
}

/**
 *	consume_skb - free an skbuff
 *	@skb: buffer to free
 *
 *	Drop a ref to the buffer and free it if the usage count has hit zero
 *	Functions identically to kfree_skb, but kfree_skb assumes that the frame
 *	is being dropped after a failure and notes that
 */
void consume_skb(struct sk_buff *skb)
{
	if (unlikely(!skb))
		return;
    //如果该skb的引用计数为1，那么需要真的释放
	if (likely(atomic_read(&skb->users) == 1))
		smp_rmb();
    //如果skb引用计数大于1，那么仅仅是将其引用计数减1
	else if (likely(!atomic_dec_and_test(&skb->users)))
		return;
	__kfree_skb(skb);
}

到此，回忆一下前面设置了MSG_PEEK的处理，对于此种情况，在调用__skb_recv_datagram()时并不会真的将skb从接收队列中移除，只是返回其指针，并且增加了对该skb的引用计数，所以在接收完毕后调用skb_free_datagram_locked()的时候，该skb的引用计数至少为2，并不会真正的释放。

2. 后备队列的数据接收

在UDP之数据报接收过程(一)中有提到，在软中断接收过程中，如果当前传输控制块刚好被进程上下文锁定，那么只是将数据放入到后备队列中，我们并没有介绍该队列中的数据又是如何被应用接收的。

实际上，在进程上下文中调用release_sock()的时候会处理该后备队列，代码如下：

void release_sock(struct sock *sk)
{
	/*
	 * The sk_lock has mutex_unlock() semantics:
	 */
	mutex_release(&sk->sk_lock.dep_map, 1, _RET_IP_);

	spin_lock_bh(&sk->sk_lock.slock);
	//重点看这里，如果后备队列不为空，调用__release_sock()进行处理
	if (sk->sk_backlog.tail)
		__release_sock(sk);
	sk->sk_lock.owned = 0;
	if (waitqueue_active(&sk->sk_lock.wq))
		wake_up(&sk->sk_lock.wq);
	spin_unlock_bh(&sk->sk_lock.slock);
}

关于传输控制块的同步锁可以参考笔记套接口层之传输控制块同步锁socket_lock_t.

static void __release_sock(struct sock *sk)
{
	//获取后备队列第一个元素
	struct sk_buff *skb = sk->sk_backlog.head;

	do {
	    //这里先将后备队列清空，然后打开硬中断，但是软中没有打开。
	    //由于对数据包的处理比较耗时，这种处理方式可以提高系统性能
		sk->sk_backlog.head = sk->sk_backlog.tail = NULL;
		bh_unlock_sock(sk);

		//循环处理后备队列中数据包
		do {
			struct sk_buff *next = skb->next;

			skb->next = NULL;
			//处理该数据包
			sk_backlog_rcv(sk, skb);

			/*
			 * We are in process context here with softirqs
			 * disabled, use cond_resched_softirq() to preempt.
			 * This is safe to do because we've taken the backlog
			 * queue private:
			 */
			//重新调度一下下半部
			cond_resched_softirq();

			skb = next;
		} while (skb != NULL);

		//再次持锁，因为要判断传输控制块的后备队列是否为空。因为前面重新调度过软中断，
		//所以下面的外层循环可以保证能够处理新到来的数据包
		bh_lock_sock(sk);
	} while ((skb = sk->sk_backlog.head) != NULL);
}

2.1 sk_backlog_rcv()

static inline int sk_backlog_rcv(struct sock *sk, struct sk_buff *skb)
{
	//对于UDP，该回调函数就是__udp_queue_rcv_skb()，
	//在软中断中就是使用该函数将数据包放入了接收队列
	return sk->sk_backlog_rcv(sk, skb);
}