【Linux 内核网络协议栈源码剖析】recvfrom 函数剖析

大家好，又见面了，我是你们的朋友全栈君。

继前篇介绍完sendto 数据发送函数 后，这里介绍数据接收函数 recvfrom。

一、应用层——recvfrom 函数

对于这个函数有必要分析一下，先看看这个dup例子。服务器端中调用recvfrom函数，并未指定发送端（客户端）的地址，换句话说这个函数是一个被动函数，有点类似于tcp协议中服务器listen 之后阻塞，等待客户端connect。这里则是服务器端recvfrom后，等待客户端sendto，服务器端recvfrom接收到客户端的数据包，也顺便知道了发送端的地址，于是将其填充到recvfrom的最后两个参数中，这样服务器端就获得了客户端的地址，然后服务器端就可sendto数据给客户端。（TCP同理）

想想也是，服务器怎么可能实现知道全球这么多客户的地址呢？但服务器采用的是大家广为人知的地址，比如你访问谷歌搜索，你知道谷歌的网址，但谷歌事先肯定不知道它众多访问者的地址，所以是客户端先主动访问，发送数据之后，谷歌才知道该客户端的地址，然后返回访问信息。

#include <sys/socket.h>
ssize_t recvfrom(int sockfd, const void *buff, size_t nbytes, int flags,
	const struct sockaddr *from, socklen_t *addrlen);
//若成功返回读到的字节数，否则返回-1
/*参数解析。这里sockfd是接收，from那边是发送
前面三个参数分别表示：套接字描述符，指向写出缓冲区的指针和写字节数。
与sendto不同是后面的参数，recvfrom的最后两个参数类似于accept的最后两个参数，返回时其中套接字地址结构的内容告诉我们是谁发送了数据报
*/

二、BSD Socket 层——sock_recvfrom 函数

/*
 *	Receive a frame from the socket and optionally record the address of the 
 *	sender. We verify the buffers are writable and if needed move the
 *	sender address from kernel to user space.
 */
//从指定的远端地址接收数据，主要用于UDP协议
//从addr指定的源端接收len大小的数据，然后缓存到buff缓冲区
//该函数还要返回远端地址信息，存放在addr指定的地址结构中
static int sock_recvfrom(int fd, void * buff, int len, unsigned flags,
	     struct sockaddr *addr, int *addr_len)
{
	struct socket *sock;
	struct file *file;
	char address[MAX_SOCK_ADDR];
	int err;
	int alen;
	//参数有效性检查
	if (fd < 0 || fd >= NR_OPEN || ((file = current->files->fd[fd]) == NULL))
		return(-EBADF);
	//通过文件描述符找到对应socket结构
	if (!(sock = sockfd_lookup(fd, NULL))) 
	  	return(-ENOTSOCK);
	if(len<0)
		return -EINVAL;
	if(len==0)
		return 0;
    //检查缓冲区域是否可写
	err=verify_area(VERIFY_WRITE,buff,len);
	if(err)
	  	return err;
    //调用下层函数inet_recvfrom
	len=sock->ops->recvfrom(sock, buff, len, (file->f_flags & O_NONBLOCK),
		     flags, (struct sockaddr *)address, &alen);

	if(len<0)
	 	return len;
	//对比可知，这里是sock_recvfrom相比sock_sendto多出来的一部分
	//它的作用便是将发送端(客户端)的地址信息填充到addr中，就是获取客户端的地址信息
	if(addr!=NULL && (err=move_addr_to_user(address,alen, addr, addr_len))<0)
	  	return err;

	return len;
}

三、INET Socket 层——inet_recvfrom 函数

/*
 *	The assorted BSD I/O operations
 */
 //其功能与inet_sendto函数类似
static int inet_recvfrom(struct socket *sock, void *ubuf, int size, int noblock, 
		   unsigned flags, struct sockaddr *sin, int *addr_len )
{
    //获取对应sock结构
	struct sock *sk = (struct sock *) sock->data;
	
	if (sk->prot->recvfrom == NULL) 
		return(-EOPNOTSUPP);
	if(sk->err)
		return inet_error(sk);
	/* We may need to bind the socket. */
	//检查是否绑定了端口，没有的话就自动绑定一个，就服务器端而言，肯定是有的
	if(inet_autobind(sk)!=0)
		return(-EAGAIN);
	//调用下层udp_recvfrom函数
	return(sk->prot->recvfrom(sk, (unsigned char *) ubuf, size, noblock, flags,
			     (struct sockaddr_in*)sin, addr_len));
}

四、传输层——udp_recvfrom 函数

/*
 * 	This should be easy, if there is something there we\
 * 	return it, otherwise we block.
 */
 //接收数据包，并返回对端地址(如果需要的话)
int udp_recvfrom(struct sock *sk, unsigned char *to, int len,
	     int noblock, unsigned flags, struct sockaddr_in *sin,
	     int *addr_len)
{
  	int copied = 0;
  	int truesize;
  	struct sk_buff *skb;
  	int er;

	/*
	 *	Check any passed addresses
	 */
	 
  	if (addr_len) 
  		*addr_len=sizeof(*sin);
  
	/*
	 *	From here the generic datagram does a lot of the work. Come
	 *	the finished NET3, it will do _ALL_ the work!
	 */
	//从接收队列中获取数据包 	
	skb=skb_recv_datagram(sk,flags,noblock,&er);
	if(skb==NULL)
  		return er;
	
    //数据包数据部分(数据报)长度
  	truesize = skb->len;
	//读取长度检查设置，udp是面向报文的，其接收到的每个数据包都是独立的
	//如果用户要求读取的小于可读取的，那么剩下的将被丢弃(本版本协议栈就是这么干的)
  	copied = min(len, truesize);

  	/*
  	 *	FIXME : should use udp header size info value 
  	 */
  	//拷贝skb数据包中的数据负载到to缓冲区中 
  	//这里就是数据转移的地方，将数据从数据包中转移出来到缓存区
	skb_copy_datagram(skb,sizeof(struct udphdr),to,copied);
	sk->stamp=skb->stamp;//记录时间

	/* Copy the address. */
	//如果要求返回远端地址的话，这里就是拷贝远端地址信息了，含端口号和ip地址
	if (sin) 
	{
		sin->sin_family = AF_INET;//地址族
		sin->sin_port = skb->h.uh->source;//端口号
		sin->sin_addr.s_addr = skb->daddr;//ip地址，这里是目的ip地址，有点困惑?
  	}
    //释放该数据包
  	skb_free_datagram(skb);
  	release_sock(sk);
  	return(truesize);//返回读取(接收)到的数据的大小
}

上面在数据处理方面，调用了三个数据报文处理函数（net\inet\Datagram.c）：skb_recv_datagram()、skb_copy_datagram()、skb_free_datagram() 

skb_recv_datagram()

/*
 *	Get a datagram skbuff, understands the peeking, nonblocking wakeups and possible
 *	races. This replaces identical code in packet,raw and udp, as well as the yet to
 *	be released IPX support. It also finally fixes the long standing peek and read
 *	race for datagram sockets. If you alter this routine remember it must be
 *	re-entrant.
 */
 //从接收队列中获取数据包
 //需要注意的是，这些函数(非udp.c文件下)或没有明确指明只与udp协议相关的函数则都是通用的
 //在tcp和udp协议下都可被调用
struct sk_buff *skb_recv_datagram(struct sock *sk, unsigned flags, int noblock, int *err)
{
	struct sk_buff *skb;
	unsigned long intflags;

	/* Socket is inuse - so the timer doesn't attack it */
	save_flags(intflags);
restart:
	sk->inuse = 1;//加锁
	//检查套接字接收队列中是否有数据包
	//如果没有，则睡眠等待，在睡眠等待之前必须检查等待的必要性
	while(skb_peek(&sk->receive_queue) == NULL)	/* No data */
	{
		/* If we are shutdown then no more data is going to appear. We are done */
		//检查套接字是否已经被关闭接收通道，已经关闭通道了就没必要盲目等待了
		if (sk->shutdown & RCV_SHUTDOWN)
		{
			release_sock(sk);//对于udp无用，因为udp没有采用back_log暂存队列
			*err=0;
			return NULL;
		}
        //发生错误，则需要首先处理错误，返回
		if(sk->err)
		{
			release_sock(sk);
			*err=-sk->err;
			sk->err=0;
			return NULL;
		}

		/* Sequenced packets can come disconnected. If so we report the problem */
		//状态检查，如果不符合则置错误标志并返回
		if(sk->type==SOCK_SEQPACKET && sk->state!=TCP_ESTABLISHED)
		{
			release_sock(sk);
			*err=-ENOTCONN;
			return NULL;
		}

		/* User doesn't want to wait */
		//不阻塞，即调用者要求不进行睡眠等待，则直接返回
		if (noblock)
		{
			release_sock(sk);
			*err=-EAGAIN;
			return NULL;
		}

		//系列篇前面介绍过该函数的一个主要功能是重新接收back_log缓存队列中的数据包
	//由于udp协议不会使用back_log队列(用于tcp超时重发)，所以该函数不会对套接字接收队列造成影响
		release_sock(sk);

		/* Interrupts off so that no packet arrives before we begin sleeping.
		   Otherwise we might miss our wake up */
		cli();
		//经过前面的一系列检查，这里再次判断是否队列中没有数据包
		//因为很有可能在上面检查过程中，有数据包到达
		if (skb_peek(&sk->receive_queue) == NULL)
		{
			interruptible_sleep_on(sk->sleep);//进入睡眠等待
			/* Signals may need a restart of the syscall */
			if (current->signal & ~current->blocked)
			{
				restore_flags(intflags);;
				*err=-ERESTARTSYS;
				return(NULL);
			}
			if(sk->err != 0)	/* Error while waiting for packet
						   eg an icmp sent earlier by the
						   peer has finally turned up now */
			{
				*err = -sk->err;
				sk->err=0;
				restore_flags(intflags);
				return NULL;
			}
		}
		sk->inuse = 1;//该套接字目前正在被本进程使用，不能被其余场所使用
		restore_flags(intflags);//恢复现场
	  }//end while
	  /* Again only user level code calls this function, so nothing interrupt level
	     will suddenly eat the receive_queue */

	 //如果接收队列中存在数据包
	 //处理正常读取的情况
	  if (!(flags & MSG_PEEK))
	  {
		skb=skb_dequeue(&sk->receive_queue);//从队列中获取数据包
		if(skb!=NULL)
			skb->users++;//使用该数据包的模块数+1
		else
			goto restart;	/* Avoid race if someone beats us to the data */
	  }
	  //如果设置了MSG_PEEK标志，允许查看已可读取的数据
	  //处理预先读取的情况
	  else
	  {
		cli();
		skb=skb_peek(&sk->receive_queue);
		if(skb!=NULL)
			skb->users++;
		restore_flags(intflags);
		if(skb==NULL)	/* shouldn't happen but .. */
			*err=-EAGAIN;
	  }
	  return skb;//返回该数据包
}

skb_copy_datagram()

  //将内核缓冲区中数据复制到用户缓冲区
 //拷贝size大小skb数据包中的数据负载(由offset偏移定位)到to缓冲区中
void skb_copy_datagram(struct sk_buff *skb, int offset, char *to, int size)
{
	/* We will know all about the fraglist options to allow >4K receives
	   but not this release */
	//函数原型:memcpy_tofs(to,from,n) :功能一目了然
	memcpy_tofs(to,skb->h.raw+offset,size);
}

skb_free_datagram()

 //释放一个数据包
 //先判断该数据包是否还有其余模块使用，再判断该数据包是否还处于系统的某个队列中，
 //换句话说，这两个判断的目的就是看该数据包是否还有用，没有用了就释放
void skb_free_datagram(struct sk_buff *skb)
{
	unsigned long flags;

	save_flags(flags);//保存现场
	cli();
	skb->users--;//使用该数据包的模块数-1
	if(skb->users>0)//如果还有模块使用该数据包，则直接返回
	{
		restore_flags(flags);
		return;
	}
	/* See if it needs destroying */
	//如果没有其余模块使用该数据包，表示这是一个游离的数据包
	//下面检查数据包是否仍处于系统某个队列中，如果还处于某个队列中则不可进行释放
	if(!skb->next && !skb->prev)	/* Been dequeued by someone - ie it's read */
		kfree_skb(skb,FREE_READ);//否则释放该数据包所占用的内存空间
	restore_flags(flags);//恢复现场
}

对比数据包的发送与接收，发送过程就是把数据从缓冲区拷贝到数据包的数据部分，由于需要经过协议栈，所以对于数据部分区域还需要进行数据封装，添加各层的协议头。对于数据包的接收，由于本来已经处于传输层了，不需要进行数据包的解封装，直接获取套接字接收队列中的数据包（如果有），然后再将数据包中的数据部分拷贝到缓冲区。