TCP的发送系列 — tcp_sendmsg()的实现（一）
主要内容：Socket发送函数在TCP层的实现
内核版本：3.15.2
我的博客：http://blog.csdn.net/zhangskd
上一篇blog讲的是send()、sendto()、sendmsg()和sendmmsg()这些发送函数的系统调用和
Socket层实现，现在来看下它们的TCP层实现。
TCP层实现
SOCK_STREAM类socket的TCP层操作函数集实例为tcp_prot，其中使用tcp_sendmsg()来发送数据。
struct proto tcp_prot = {
.name = "TCP",
.owner = THIS_MODULE,
...
.sendmsg = tcp_sendmsg,
...
};
tcp_sendmsg()的主要工作是把用户层的数据，填充到skb中，然后加入到sock的发送队列。
之后调用tcp_write_xmit()来把sock发送队列中的skb尽量地发送出去。
另外TCP发送缓存的管理也主要发生在tcp_sendmsg()函数中，在接下来的blog中会有单独的分析。
tcp_sendmsg()做了以下事情：
1. 如果使用了TCP Fast Open，则会在发送SYN包的同时携带上数据。
2. 如果连接尚未建立好，不处于ESTABLISHED或者CLOSE_WAIT状态，
那么进程进行睡眠，等待三次握手的完成。
3. 获取当前的MSS、网络设备支持的最大数据长度size_goal。
如果支持GSO，size_goal会是MSS的整数倍。
4. 遍历用户层的数据块数组：
4.1 获取发送队列的最后一个skb，如果是尚未发送的，且长度尚未达到size_goal，
那么可以往此skb继续追加数据。
4.2 否则需要申请一个新的skb来装载数据。
4.2.1 如果发送队列的总大小sk_wmem_queued大于等于发送缓存的上限sk_sndbuf，
或者发送缓存中尚未发送的数据量超过了用户的设置值：
设置同步发送时发送缓存不够的标志。
如果此时已有数据复制到发送队列了，就尝试立即发送。
等待发送缓存，直到sock有发送缓存可写事件唤醒进程，或者等待超时。
4.2.2 申请一个skb，其线性数据区的大小为：
通过select_size()得到的线性数据区中TCP负荷的大小 + 最大的协议头长度。
如果申请skb失败了，或者虽然申请skb成功，但是从系统层面判断此次申请不合法，
等待可用内存，等待时间为2~202ms之间的一个随机数。
4.2.3 如果以上两步成功了，就更新skb的TCP控制块字段，把skb加入到sock发送队列的尾部，
增加发送队列的大小，减小预分配缓存的大小。
4.3 接下来就是拷贝消息头中的数据到skb中了。
如果skb的线性数据区还有剩余空间，就复制数据到线性数据区中，同时计算校验和。
4.4 如果skb的线性数据区已经用完了，那么就使用分页区：
4.4.1 检查分页是否有可用空间，如果没有就申请新的page。如果申请失败，说明系统内存不足。
之后会设置TCP内存压力标志，减小发送缓冲区的上限，睡眠等待内存。
4.4.2 判断能否往最后一个分页追加数据。不能追加时，检查分页数是否达到了上限、
或网卡不支持分散聚合。如果是的话，就为此skb设置PSH标志。
然后跳转到4.2处申请新的skb，来继续填装数据。
4.4.3 从系统层面判断此次分页发送缓存的申请是否合法。
4.4.4 拷贝用户空间的数据到skb的分页中，同时计算校验和。
更新skb的长度字段，更新sock的发送队列大小和预分配缓存。
4.4.5 如果把数据追加到最后一个分页了，更新最后一个分页的数据大小。否则初始化新的分页。
4.5 拷贝成功后更新：送队列的最后一个序号、skb的结束序号、已经拷贝到发送队列的数据量。
4.6 尽可能的将发送队列中的skb发送出去。
int tcp_sendmsg(struct kiocb *iocb, struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t size)
{
struct iovec *iov;
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk);
struct sk_buff *skb;
int iovlen, flags, err, copied = 0;
int mss_now = 0, size_goal, copied_syn = 0, offset = 0;
bool sg;
long timeo;
lock_sock(sk);
flags = msg->msg_flags;
/* Send data in TCP SYN.
* 使用了TCP Fast Open时，会在发送SYN时携带上数据。
*/
if (flags & MSG_FASTOPEN) {
err = tcp_sendmsg_fastopen(sk, msg, &copied_syn, size);
if (err == -EINPROGRESS && copied_syn > 0)
goto out;
else if (err)
goto out_err;
offset = copied_syn;
}
/* 发送的超时时间，如果是非阻塞的则为0 */
timeo = sock_sndtimeo(sk, flags & MSG_DONTWAIT);
/* Wait for a connection to finish.
* One exception is TCP Fast Open (passive side) where data is allowed to
* be sent before a connection is fully established.
*/
/* 如果连接尚未完成三次握手，是不允许发送数据的，除非是Fast Open的被动打开方 */
if (((1 << sk->sk_state) & ~(TCPF_ESTABLISHED | TCPF_CLOSE_WAIT)) &&
! (tcp_passive_fastopen(sk)) {
/* 等待连接的建立，成功时返回值为0 */
if ((err = sk_stream_wait_connect(sk, &timeo)) != 0)
goto do_error;
}
/* 使用TCP_REPAIR选项时 */
if (unlikely(tp->repair)) {
/* 发送到接收队列中 */
if (tp->repair_queue == TCP_RECV_QUEUE) {
copied = tcp_send_rcvq(sk, msg, size);
goto out;
}
err = -EINVAL;
if (tp->repair_queue == TCP_NO_QUEUE)
goto out_err;
/* common sending to sendq */
}
/* This should be in poll.
* 清除使用异步情况下，发送队列满了的标志。
*/
clear_bit(SOCK_ASYNC_NOSPACE, &sk->sk_socket->flags);
/* 获取当前的发送MSS.
* 获取可发送到网卡的最大数据长度，如果使用GSO，会是MSS的整数倍。
*/
mss_now = tcp_send_mss(sk, &size_goal, flags);
/* Ok commence sending. */
iovlen = msg->msg_iovlen; /* 应用层数据块的个数*/
iov = msg->msg_iov; /* 应用层数据块数组的地址 */
copied = 0; /* 已拷贝到发送队列的字节数 */
err = -EPIPE; /* Broken pipe */
/* 如果连接有错误，或者不允许发送数据了，那么返回-EPIPE */
if (sk->sk_err || (sk->sk_shutdown & SEND_SHUTDOWN))
goto out_err;
sg = !! (sk->sk_route_caps & NETIF_F_SG); /* 网卡是否支持分散聚合 */
/* 遍历用户层的数据块数组 */
while (--iovlen >= 0) {
size_t seglen = iov->iov_len; /* 数据块的长度 */
unsigned char __user *from = iov->iov_base; /* 数据块的地址 */
iov++; /* 指向下一个数据块 */
/* Skip bytes copied in SYN.
* 如果使用了TCP Fast Open，需要跳过SYN包发送过的数据。
*/
if (unlikely(offset > 0)) {
if (offset >= seglen) {
offset -= seglen;
continue;
}
seglen -= offset;
from += offset;
offset = 0;
}
while (seglen > 0) {
int copy = 0;
int max = size_goal; /* 单个skb的最大数据长度，如果使用了GSO，长度为MSS的整数倍 */
skb = tcp_write_queue_tail(sk); /* 发送队列的最后一个skb */
if (tcp_send_head(sk)) { /* 还有未发送的数据，说明该skb还未发送 */
/* 如果网卡不支持检验和计算，那么skb的最大长度为MSS，即不能使用GSO */
if (skb->ip_summed == CHECKSUM_NONE)
max = mss_now;
copy = max - skb->len; /* 此skb可追加的数据长度 */
}
if (copy <= 0) { /* 需要使用新的skb来装数据 */
new_segment:
/* Allocate new segment. If the interface is SG,
* allocate skb fitting to single page.
*/
/* 如果发送队列的总大小sk_wmem_queued大于等于发送缓存的上限sk_sndbuf，
* 或者发送缓存中尚未发送的数据量超过了用户的设置值，就进入等待。
*/
if (! sk_stream_memory_free(sk))
goto wait_for_sndbuf;
/* 申请一个skb，其线性数据区的大小为：
* 通过select_size()得到的线性数据区中TCP负荷的大小 + 最大的协议头长度。
* 如果申请skb失败了，或者虽然申请skb成功，但是从系统层面判断此次申请不合法，
* 那么就进入睡眠，等待内存。
*/
skb = sk_stream_alloc_skb(sk, select_size(sk, sg), sk->sk_allocation);
if (! skb)
goto wait_for_memory;
/* All packets are restored as if they have already been sent.
* 如果使用了TCP REPAIR选项，那么为skb设置“发送时间”。
*/
if (tp->repair)
TCP_SKB_CB(skb)->when = tcp_time_stamp;
/* Check whether we can use HW checksum.
* 如果网卡支持校验和的计算，那么由硬件计算报头和首部的校验和。
*/
if (sk->sk_route_caps & NETIF_F_ALL_CSUM)
skb->ip_summed = CHECKSUM_PARTIAL;
/* 更新skb的TCP控制块字段，把skb加入到sock发送队列的尾部，
* 增加发送队列的大小，减小预分配缓存的大小。
*/
skb_entail(sk, skb);
copy = size_goal;
max = size_goal;
}
/* Try to append data to the end of skb.
* 本次可拷贝的数据量不能超过数据块的长度。
*/
if (copy > seglen)
copy = seglen;
/* Where to copy to ?
* 如果skb的线性数据区还有剩余空间，就先复制到线性数据区。
*/
if (skb_availroom(skb) > 0) {
copy = min_t(int, copy, skb_availroom(skb));
/* 拷贝用户空间的数据到内核空间，同时计算校验和 */
err = skb_add_data_nocache(sk, skb, from, copy);
if (err)
goto do_fault;
} else { /* 如果skb的线性数据区已经用完了，那么就使用分页区 */
bool merge = true;
int i = skb_shinfo(skb)->nr_frags; /* 分页数 */
struct page_frag *pfrag = sk_page_frag(sk); /* 上次缓存的分页 */
/* 检查分页是否有可用空间，如果没有就申请新的page。
* 如果申请失败，说明系统内存不足。
* 之后会设置TCP内存压力标志，减小发送缓冲区的上限，睡眠等待内存。
*/
if (! sk_page_frag_refill(sk, pfrag))
goto wait_for_memory;
/* 判断能否往最后一个分页追加数据 */
if (! skb_can_coalesce(skb, i, pfrag->page, pfrag->offset)) {
/* 不能追加时，检查分页数是否达到了上限，或者网卡不支持分散聚合。
* 如果是的话，就为此skb设置PSH标志，尽快地发送出去。
* 然后跳转到new_segment处申请新的skb，来继续填装数据。
*/
if (i == MAX_SKB_FRAGS || ! sg) {
tcp_mark_push(tp, skb);
goto new_segment;
}
merge = false;
}
copy = min_t(int ,copy, pfrag->size - pfrag->offset);
/* 从系统层面判断发送缓存的申请是否合法 */
if (! sk_wmem_schedule(sk, copy))
goto wait_for_memory;
/* 拷贝用户空间的数据到内核空间，同时计算校验和。
* 更新skb的长度字段，更新sock的发送队列大小和预分配缓存。
*/
err = skb_copy_to_page_nocache(sk, from, skb, pfrag->page, pfrag->offset, copy);
if (err)
goto do_error;
/* Update the skb. */
if (merge) { /* 如果把数据追加到最后一个分页了，更新最后一个分页的数据大小 */
skb_frag_size_add(&skb_shinfo(skb)->frags[i - 1], copy);
} else {
/* 初始化新增加的页 */
skb_fill_page_desc(skb, i, pfrag->page, pfrag->offset, copy);
get_page(pfrag->page);
}
pfrag->offset += copy;
}
/* 如果这是第一次拷贝，取消PSH标志 */
if (! copied)
TCP_SKB_CB(skb)->tcp_flags &= ~TCPHDR_PSH;
tp->write_seq += copy; /* 更新发送队列的最后一个序号 */
TCP_SKB_CB(skb)->send_seq += copy; /* 更新skb的结束序号 */
skb_shinfo(skb)->gso_segs = 0;
from += copy; /* 下次拷贝的地址 */
copied += copy; /* 已经拷贝到发送队列的数据量 */
/* 如果所有数据都拷贝好了，就退出 */
if ((seglen -= copy) == 0 && iovlen == 0)
goto out;
/* 如果skb还可以继续填充数据，或者发送的是带外数据，或者使用TCP REPAIR选项，
* 那么继续拷贝数据，先不发送。
*/
if (skb->len < max || (flags & MSG_OOB) || unlikely(tp->repair))
continue;
/* 如果需要设置PSH标志 */
if (forced_push(tp)) {
tcp_mark_push(tp, skb);
/* 尽可能的将发送队列中的skb发送出去，禁用nalge */
__tcp_push_pending_frames(sk, mss_now,TCP_NAGLE_PUSH);
} else if (skb == tcp_send_head(sk))
tcp_push_one(sk, mss_now); /* 只发送一个skb */
continue;
wait_for_sndbuf:
/* 设置同步发送时，发送缓存不够的标志 */
set_bit(SOCK_NOSPACE, &sk->sk_socket->flags);
wait_for_memory:
/* 如果已经有数据复制到发送队列了，就尝试立即发送 */
if (copied)
tcp_push(sk, flags & ~MSG_MORE, mss_now, TCP_NAGLE_PUSH, size_goal);
/* 分两种情况：
* 1. sock的发送缓存不足。等待sock有发送缓存可写事件，或者超时。
* 2. TCP层内存不足，等待2~202ms之间的一个随机时间。
*/
if ((err = sk_stream_wait_memory(sk, &timeo)) != 0)
goto do_err;
/* 睡眠后MSS和TSO段长可能会发生变化，重新计算 */
mss_now = tcp_send_mss(sk, &size_goal, flags);
} // end while seglen > 0
} // end while --iovlen >= 0
out:
/* 如果已经有数据复制到发送队列了，就尝试立即发送 */
if (copied)
tcp_push(sk, flags, mss_now, tp->nonagle, size_goal);
release_sock(sk);
return copied + copied_syn;
do_fault:
if (! skb->len) { /* 如果skb没有负荷 */
tcp_unlink_write_queue(skb, sk); /* 把skb从发送队列中删除 */
/* It is the one place in all of TCP, except connection reset,
* where we can be unlinking the send_head.
*/
tcp_check_send_head(sk, skb); /* 是否要撤销sk->sk_send_head */
sk_wmem_free_skb(sk, skb); /* 更新发送队列的大小和预分配缓存，释放skb */
}
do_error:
if (copied + copied_syn)
goto out;
out_err:
err = sk_stream_error(sk, flags, err);
release_sock(sk);
return err;
}