一、讲解
tcp_sendmsg_locked 函数是 Linux 内核中实现 TCP 数据发送的一个核心函数。这个函数被调用来将用户空间的数据通过 TCP 发送出去。以下是该函数的基本工作流程的中文解释：
1. 函数初始化和检查：
- 它首先检查是否使用了 TCP 零拷贝发送（MSG_ZEROCOPY）以及确保发送状态是正确的。
- 函数通过检查标志位来处理 TCP 快速打开特性。
- 设置发送超时和评估发送路径是否处于“应用受限”状态。
2. 等待连接完成：
- 如果 TCP 连接还未建立，它将等待连接完成，除非使用了 TCP 快速打开。
3. 准备发送：
- 如果存在 TCP 修复模式，它将处理特定的发送队列。
- 解析传输层控制消息。
- 清除可能影响发送队列的异步标记。
- 计算最大段大小（MSS）和发送目标大小。
4. 数据发送循环：
- 函数进入循环，开始从用户消息（`msg`）中拷贝数据到内核的发送缓冲区。
- 它处理两种类型的发送缓冲区：线性空间和分散/聚集空间。
- 可能会处理 socket 的内存分配和等待内存分配。
- 根据不同情况拷贝数据到 TCP 段（`skb`），并更新 TCP 状态信息（如写序列号）。
5. 错误处理：
- 如果出现错误或异常，函数会进行错误处理，包括释放必要的资源。
6. 推送数据和结束发送：
- 完成数据拷贝后，如果已经拷贝了足够的数据，函数将推动网络栈发送这些数据（或者等待发送缓冲区空间可用来发送更多数据）。
- 根据使用的发送标志，函数可能会标记 PSH 推送位，或使用 Nagle 算法等待发送。
- 数据发送后，函数执行必要的清理操作，返回拷贝的字节数，或者发送失败时的错误码。
整体上，`tcp_sendmsg_locked` 函数处理了一系列复杂的 TCP 发送逻辑，包括 TCP 发送缓冲区的管理、段的创建及填充、发送拥塞控制、零拷贝优化等。此函数的名称表示它应在相应的 socket 已被锁定的情况下调用，以保证线程安全。这是内核网络栈的核心函数之一，涉及到许多内核编程细节和网络协议的实现。
二、注释
/ tcp_sendmsg_locked函数的实现
int tcp_sendmsg_locked(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t size)
{
// 声明一系列变量
struct tcp_sock *tp = tcp_sk(sk); // 获取tcp_sock结构
struct ubuf_info *uarg = NULL;
struct sk_buff *skb;
struct sockcm_cookie sockc;
int flags, err, copied = 0;
int mss_now = 0, size_goal, copied_syn = 0;
bool process_backlog = false;
bool zc = false;
long timeo;
flags = msg->msg_flags; // 获取消息标志
// 检查是否启用了零拷贝发送
if (flags & MSG_ZEROCOPY && size && sock_flag(sk, SOCK_ZEROCOPY)) {
// TCP状态检查
if ((1 << sk->sk_state) & ~(TCPF_ESTABLISHED | TCPF_CLOSE_WAIT)) {
err = -EINVAL;
goto out_err;
}
skb = tcp_write_queue_tail(sk);
uarg = sock_zerocopy_realloc(sk, size, skb_zcopy(skb));
if (!uarg) {
err = -ENOBUFS;
goto out_err;
}
zc = sk->sk_route_caps & NETIF_F_SG;
if (!zc)
uarg->zerocopy = 0;
}
// 处理快速打开的情况
if (unlikely(flags & MSG_FASTOPEN || inet_sk(sk)->defer_connect) && !tp->repair) {
err = tcp_sendmsg_fastopen(sk, msg, &copied_syn, size);
if (err == -EINPROGRESS && copied_syn > 0)
goto out;
else if (err)
goto out_err;
}
timeo = sock_sndtimeo(sk, flags & MSG_DONTWAIT); // 获取发送超时
tcp_rate_check_app_limited(sk); // 检查应用级发送是否受限
// 等待连接完成，除非是被动端的TCP快速打开
if (((1 << sk->sk_state) & ~(TCPF_ESTABLISHED | TCPF_CLOSE_WAIT)) && !tcp_passive_fastopen(sk)) {
err = sk_stream_wait_connect(sk, &timeo);
if (err != 0)
goto do_error;
}
// 如果处于TCP修复状态
if (unlikely(tp->repair)) {
if (tp->repair_queue == TCP_RECV_QUEUE) {
// 修复时发送recv队列中的数据
copied = tcp_send_rcvq(sk, msg, size);
goto out_nopush;
}
err = -EINVAL;
if (tp->repair_queue == TCP_NO_QUEUE)
goto out_err;
// 处于发送队列的修复
}
// 初始化sockcm_cookie
sockcm_init(&sockc, sk);
if (msg->msg_controllen) {
err = sock_cmsg_send(sk, msg, &sockc);
if (unlikely(err)) {
err = -EINVAL;
goto out_err;
}
}
sk_clear_bit(SOCKWQ_ASYNC_NOSPACE, sk); // 清除异步无空间标志
// 开始发送数据
copied = 0;
// 重启标签，处理发送过程中需要重启的情况
restart:
mss_now = tcp_send_mss(sk, &size_goal, flags); // 获取发送的最大报文段大小
err = -EPIPE;
if (sk->sk_err || (sk->sk_shutdown & SEND_SHUTDOWN))
goto do_error;
// 循环处理要发送的数据
while (msg_data_left(msg)) {
int copy = 0;
skb = tcp_write_queue_tail(sk);
if (skb)
copy = size_goal - skb->len;
if (copy <= 0 || !tcp_skb_can_collapse_to(skb)) {
bool first_skb;
int linear;
// 创建新的数据段
new_segment:
if (!sk_stream_memory_free(sk))
goto wait_for_sndbuf;
if (process_backlog && sk_flush_backlog(sk)) {
process_backlog = false;
goto restart;
}
first_skb = tcp_rtx_and_write_queues_empty(sk);
linear = select_size(first_skb, zc);
skb = sk_stream_alloc_skb(sk, linear, sk->sk_allocation,
first_skb);
if (!skb)
goto wait_for_memory;
process_backlog = true;
skb->ip_summed = CHECKSUM_PARTIAL;
skb_entail(sk, skb);
copy = size_goal;
// 如果处于修复模式，标记该skb已经“发送”
if (tp->repair)
TCP_SKB_CB(skb)->sacked |= TCPCB_REPAIRED;
}
// 尝试附加数据到skb的末尾
if (copy > msg_data_left(msg))
copy = msg_data_left(msg);
// 将数据从用户空间拷贝到skb中
if (skb_availroom(skb) > 0 && !zc) {
// 有空间进行直接拷贝
copy = min_t(int, copy, skb_availroom(skb));
err = skb_add_data_nocache(sk, skb, &msg->msg_iter, copy);
if (err)
goto do_fault;
} else if (!zc) {
bool merge = true;
int i = skb_shinfo(skb)->nr_frags;
// 大页内存管理
struct page_frag *pfrag = sk_page_frag(sk);
// 确保page_frag有足够内存
if (!sk_page_frag_refill(sk, pfrag))
goto wait_for_memory;
// 检查skb是否可以合并到最后的一个frag
if (!skb_can_coalesce(skb, i, pfrag->page, pfrag->offset)) {
// 如果达到了frag的上限，则新建一个段
if (i >= sysctl_max_skb_frags) {
tcp_mark_push(tp, skb);
goto new_segment;
}
merge = false;
}
// 拷贝数据到页内存
copy = min_t(int, copy, pfrag->size - pfrag->offset);
// 确保套接字有足够的写缓冲区空间
if (!sk_wmem_schedule(sk, copy))
goto wait_for_memory;
// 无拷贝地将数据从用户空间复制到页内存
err = skb_copy_to_page_nocache(sk, &msg->msg_iter, skb,
pfrag->page,
pfrag->offset,
copy);
if (err)
goto do_error;
// 更新skb状态
if (merge) {
// 如果合并成功，增加frag的大小
skb_frag_size_add(&skb_shinfo(skb)->frags[i - 1], copy);
} else {
// 没有合并，就在skb中新增一个page frag描述符
skb_fill_page_desc(skb, i, pfrag->page, pfrag->offset, copy);
page_ref_inc(pfrag->page); // 增加页引用计数
}
// 更新page_frag位置
pfrag->offset += copy;
} else {
// 零拷贝的发送方式
err = skb_zerocopy_iter_stream(sk, skb, msg, copy, uarg);
if (err == -EMSGSIZE || err == -EEXIST) {
// 出现错误，需要新段
tcp_mark_push(tp, skb);
goto new_segment;
}
if (err < 0)
goto do_error;
copy = err;
}
// 更新TCP状态
if (!copied)
TCP_SKB_CB(skb)->tcp_flags &= ~TCPHDR_PSH;
tp->write_seq += copy;
TCP_SKB_CB(skb)->end_seq += copy;
tcp_skb_pcount_set(skb, 0);
copied += copy;
if (!msg_data_left(msg)) {
// 如果数据已经全部发送完成，设置结束标志
if (unlikely(flags & MSG_EOR))
TCP_SKB_CB(skb)->eor = 1;
goto out;
}
// 检查skb是否达到了目标大小或者其它特殊情况
if (skb->len < size_goal || (flags & MSG_OOB) || unlikely(tp->repair))
continue;
if (forced_push(tp)) {
// 如果需要立即发送数据，则添加PSH标志并推送数据
tcp_mark_push(tp, skb);
__tcp_push_pending_frames(sk, mss_now, TCP_NAGLE_PUSH);
} else if (skb == tcp_send_head(sk))
// 如果skb是待发送队列的头部，可能需要推送一个分段
tcp_push_one(sk, mss_now);
continue;
// 对于缓冲区溢出，设置标志位并等待可用内存
wait_for_sndbuf:
set_bit(SOCK_NOSPACE, &sk->sk_socket->flags);
wait_for_memory:
if (copied)
// 如果已经拷贝了一些数据，则尝试推送
tcp_push(sk, flags & ~MSG_MORE, mss_now,
TCP_NAGLE_PUSH, size_goal);
// 等待足够的发送缓冲区内存
err = sk_stream_wait_memory(sk, &timeo);
if (err != 0)
goto do_error;
// 重新计算mss和目标大小
mss_now = tcp_send_mss(sk, &size_goal, flags);
}
out:
// 数据发送完成，调用tcp_push推送所有挂起的数据帧
if (copied) {
tcp_tx_timestamp(sk, sockc.tsflags);
tcp_push(sk, flags, mss_now, tp->nonagle, size_goal);
}
out_nopush:
// 释放uarg资源
sock_zerocopy_put(uarg);
return copied + copied_syn;
// 处理skb没有复制任何数据的情况
do_fault:
if (!skb->len) {
tcp_unlink_write_queue(skb, sk);
// 这是TCP中除了连接重置以外唯一可能删除send_head的地方
tcp_check_send_head(sk, skb);
sk_wmem_free_skb(sk, skb);
}
// 处理错误，如果已经复制了数据，则直接退出
do_error:
if (copied + copied_syn)
goto out;
out_err:
// 处理失败，中止零拷贝操作，记录错误并返回
sock_zerocopy_put_abort(uarg);
// 根据错误代码设置套接字错误状态，并返回错误
err = sk_stream_error(sk, flags, err);
// 如果写队列为空，并且返回了EAGAIN错误，则尝试触发epoll的边缘触发事件
if (unlikely(skb_queue_len(&sk->sk_write_queue) == 0 &&
err == -EAGAIN)) {
sk->sk_write_space(sk); // 若写入队列为空并且错误为EAGAIN，确保调用sk_write_space来唤醒epoll等待者,唤醒可能在等待发送缓冲区空间的epoll
tcp_chrono_stop(sk, TCP_CHRONO_SNDBUF_LIMITED); // 停止发送缓冲区限制的计时器
}
return err; // 返回出错信息
}
EXPORT_SYMBOL_GPL(tcp_sendmsg_locked); // 导出tcp_sendmsg_locked符号，允许其他内核模块调用 
三、tcp_sendmsg
这个函数`tcp_sendmsg`用于处理TCP socket的发送消息操作。让我们逐行地用中文解释这个函数的作用：
int tcp_sendmsg(struct sock *sk, struct msghdr *msg, size_t size)
{
int ret;
lock_sock(sk); // 对指定的socket加锁，以防止并发访问导致的数据竞争。
ret = tcp_sendmsg_locked(sk, msg, size); // 在锁定后，调用tcp_sendmsg_locked函数发送消息。这个函数实现了消息的发送逻辑，但假设调用它的上下文已经持有了锁。
release_sock(sk); // 消息发送完成后，释放之前获取的锁。
return ret; // 返回tcp_sendmsg_locked函数的返回值，通常是已发送数据的字节数或者一个错误码。
}
EXPORT_SYMBOL(tcp_sendmsg); // 将tcp_sendmsg函数导出，使它可以被该模块外的代码调用。总的来说，`tcp_sendmsg`是一个对外暴露的接口，它用于在用户空间调用以发起TCP通信。该函数首先锁定目标socket，然后调用实际发送消息实现的内部函数`tcp_sendmsg_locked`，发送过程完成后释放锁，并返回发送操作的结果（成功发送的字节数或错误码）。通过锁来保证tcp发送操作的线程安全性。