Contiki协议栈Rime:缓冲区管理packetbuf management

时间：2021-09-09 01:17:45

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1 概述

　　关于Rime的缓冲区管理这一块，能在网上搜到很多博客，但是我想说的是，99%+都是过时的，坑爹啊！Contiki的开发非常活跃，所以对代码的改进很多，而Rime的缓冲区管理这也在今年二月份进行了优化，由之前难以理解的、晦涩的“双头栈”改为了现在通俗易懂的结构。双头栈有多晦涩，你将contiki的代码reset到今年二月份之前去看看就知道了。
　　不过不要马虎，虽然现在的缓冲管理变简单了，但是它很重要！很重要！！很重要！！！
　　为啥说它很重要呢？

  • 其一，Rime整个协议栈里面的子协议，都得使用它。（至于uIP协议会不会使用它，我还没接触过，不知道呢）
  • 其二，底层协议，比如MAC,RDC,FRAMER,LLSEC都得使用它。
  • 其三，甚至某些应用程序也会用到它。还记得博客《Contiki协议栈Rime:引子》中的匿名广播的例程吗？里面有packetbuf_copyfrom("Hello", 6);这句话，它就使用到了packetbuf。

缓冲区的作用很简单，将发出和收到的数据包（包括数据和包属性）都存储在一个单一的缓冲区packetbuf，由头部和数据两部分组成。
相关代码位于contiki/core/net/packetbuf.[ch]。

2 相关变量

packetbuf

packbuf就是Rime的缓冲区，它是一个指向数组的指针，其定义为：

/* 以下声明确保包缓冲区可以对齐32bit边界，在一些平台（最常见的如msp430或OpenRISC），在访问字节时，有可能会出现非对齐包缓冲而导致问题的发生。 */
static uint32_t packetbuf_aligned[(PACKETBUF_SIZE + 3) / 4];
static uint8_t *packetbuf = (uint8_t *)packetbuf_aligned;

其中，PACKETBUF_SIZE被定义为：

#ifdef PACKETBUF_CONF_SIZE
#define PACKETBUF_SIZE PACKETBUF_CONF_SIZE
#else
#define PACKETBUF_SIZE 128 // 缓冲区默认长度为128个字节
#endif

所以默认情况下，Rime的buffer是大小为128字节的连续的内存空间。

需要说明的是，这里的PACKETBUF_SIZE是指整个缓冲的长度，包括头部和数据。在以前的机制中，这个PACKETBUF_SIZE只包括数据部分，头部还另外占据PACKETBUF_HDR_SIZE个字节的缓冲。

buflen hdrlen bufptr

这三个变量的定义如下：

static uint16_t buflen, bufptr;
static uint8_t hdrlen;

其中，
buflen:已使用的数据部分的长度
hdrlen:已使用的头部部分的长度
bufptr:这不是指针，而是一个整型变量。它相当于一个索引，指向缓冲的某个地址。这个变量在今后解析buffer时非常有用。

3 相关函数

packetbuf_clear

void packetbuf_clear(void)
{
  buflen = bufptr = 0;
  hdrlen = 0;

  packetbuf_attr_clear();
}

该函数负责清空数据，包括packetbuf指向的buffer，以及两个属性数组里的内容。在将包压入包缓冲之前，会调用该函数。

packetbuf_copyfrom

int packetbuf_copyfrom(const void *from, uint16_t len)
{
  uint16_t l;

  packetbuf_clear(); // 先清空属性数组和packetbuf
  l = MIN(PACKETBUF_SIZE, len);  // 如果len大于PACKETBUF_SIZE，则截断
  memcpy(packetbuf, from, l);
  buflen = l;
return l;
}

很容易理解：先清空属性数组和packetbuf，然后从from中拷贝len个长度的数据到packetbuf中。如果需要拷贝的长度但对于定义的buffer长度，则进行截断处理，只拷贝PACKETBUF_SIZE个字节。该函数返回所拷贝的数据的长度。

packetbuf_compact

void packetbuf_compact(void)
{
  int16_t i;

if(bufptr) {
/* 将数据部分向左移至头部后面 */
for(i = 0; i < buflen; i++) {
      packetbuf[hdrlen + i] = packetbuf[packetbuf_hdrlen() + i];
    }
    bufptr = 0;
  }
}

该函数通过拷贝packetbuf的数据部分，使其紧紧跟随头部。头部和数据之间可能有若干个字节是隔开的，但是为啥会隔开呢？看后面的函数packetbuf_hdrreduce()和函数packetbuf_dataptr()就会明白。Rime中的协议在将包发送给设备驱动之前，会调用该函数，以确保包在内存中是连续的。
为了更容易理解，直接上图：

Contiki协议栈Rime:缓冲区管理packetbuf management

packetbuf_copyto

int packetbuf_copyto(void *to)
{
if(hdrlen + buflen > PACKETBUF_SIZE) { // 怎么会发生这样的情况？
return 0;
  }
// 由于数据部分和头部中间可能有间隔，所以分开拷贝这两个部分，
// 否则当中间真的存在间隔时，就会拷贝错误
  memcpy(to, packetbuf_hdrptr(), hdrlen);
  memcpy((uint8_t *)to + hdrlen, packetbuf_dataptr(), buflen);
return hdrlen + buflen;
}

拷贝一个完整的packbuf到一个外部buffer。

packetbuf_hdralloc

int
packetbuf_hdralloc(int size)
{
  int16_t i;

if(size + packetbuf_totlen() > PACKETBUF_SIZE) {
return 0;
  }

/* shift data to the right */
for(i = packetbuf_totlen() - 1; i >= 0; i--) {
    packetbuf[i + size] = packetbuf[i];
  }
  hdrlen += size;
return 1;
}

分配size个字节的头部空间。我们后面会看到，当需要向packetbuf中写入新的包属性时，会先调用此函数预分配空间。上图：

Contiki协议栈Rime:缓冲区管理packetbuf management

packetbuf_hdrreduce

int packetbuf_hdrreduce(int size)
{
if(buflen < size) {
return 0;
  }

  bufptr += size;
  buflen -= size;
return 1;
}

该函数主要用于解析packetbuf。调用函数packetbuf_dataptr()会返回一个指向数据部分的第一个字节的指针。如果先调用packetbuf_hdrreduce(size1)，此时bufptr会增加size个字节，如果再调用函数packetbuf_dataptr()，此时返回的函数指针就比之前的函数指针后移了size个字节。解析packetbuf的流程就是不断地调用packetbuf_hdrreduce()和packetbuf_dataptr()。

packetbuf_set_datalen

void
packetbuf_set_datalen(uint16_t len)
{
  PRINTF("packetbuf_set_len: len %d\n", len);
  buflen = len;
}

该函数用于设置数据部分的长度

packetbuf_dataptr

void *
packetbuf_dataptr(void)
{
return packetbuf + packetbuf_hdrlen();
}

该函数返回指向数据部分第一个字节的指针。

packetbuf_hdrptr

void *
packetbuf_hdrptr(void)
{
return packetbuf;
}

返回头部指针，即这个buf的指针

packetbuf_datalen

uint8_t
packetbuf_hdrlen(void)
{
return bufptr + hdrlen;
}

返回数据部分长度

packetbuf_totlen

uint16_t
packetbuf_totlen(void)
{
  return packetbuf_hdrlen() + packetbuf_datalen();
}

返回头部和数据部分总长度

packetbuf_holds_broadcast

int
packetbuf_holds_broadcast(void)
{
return linkaddr_cmp(&packetbuf_addrs[PACKETBUF_ADDR_RECEIVER - PACKETBUF_ADDR_FIRST].addr, &linkaddr_null);
}

通过比较属性数组中的PACKETBUF_ADDR_RECEIVER属性的值与linkaddr_null的值是否相等，判断packetbuf中是否包含广播地址。

关于这个函数的使用，在底层协议里有，暂时先不管，今后再补充

4 小结

在这篇博客中，简单介绍了缓冲区管理的各个函数，通过两张图片，应该更容易理解。但是函数太多了，我不可能相关的函数都画图，太浪费时间了。第一次阅读的话可能会觉得有些函数模棱两可，但是结合后面几篇博客，就能真正知道其具体应用了。

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