IO端口复用之select的底层实现

本文主要是介绍IO端口复用之select的底层实现，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

介绍

    由于tcp过于复杂，取个巧，全篇以udp连接来说明一下，内核版本对应2.6.32。

    select说到底是和网络套接字打交到的，从网络套接字创建的过程（socket和bind系统调用），来了解一下socket、sock、inet_sock等数据结构之间的联系，以及创建一个监听套接字之后到底发生了哪些变化。

储备知识点

    此处是一些琐碎的知识点，以便更好的理解select系统调用用到的数据结构与调用函数，想了解select的朋友也可直接跳到select部分阅读。

一些初始化操作

    af_inet.c文件，既ipv4的网络处理模块，在inet_init函数中，进行了ipv4协议相关的各类数据结构初始化操作。

• proto_register将udp_prot通过其节点node挂载到全局的proto_list链表上。使用kmem_cache_create对prot->slab创建了slab缓存区，其每一个slab空间大小为struct udp_sock的结构大小。在udp_sock结构中，其inet成员为inet_sock结构，其中的第一个参数为struct sock sk，通常可直接将sock结构的指针强转为udp_sock来使用。

        struct udp_sock {

            struct inet_sock inet;

            int pending;

            __u16 len;

        }

• 使用sock_register函数，将inet_family_ops全局变量（struct net_proto_family结构类型）放到全局数组net_families中去，使用协议族值作为下标，此处为AF_INET。  inet_family_ops中包括了create函数，既inet_create。
• 使用inet_add_protocol将udp_protocol全局变量（struct net_protocol结构类型）放到全局数组inet_protos中去，使用协议类型IPPROTO_UDP计算哈希值作为下标。

        struct net_protocol udp_protocol = {

            .handler = udp_rcv，

            .gso_send_check = udp4_ufo_send_check,

            .gso_segment = udp4_ufo_fragment,

        };

• 初始化inetsw 链表头数组，其结构为 struct list_head数组，以协议类型为下标，如SOCK_DGRAM。
• 初始化inetsw_array数组，其结构为struct inet_protosw数组。

        struct inet_protosw inetsw_array[] = 

        {

            ........

            {

                .type = SOCK_DGRAM，

                protocol = IPPROTO_UDP，

                prot = udp_prot，（struct prot结构）

                ops = inet_dgram_ops， (struct proto_ops结构)

            },

            ........

        }

• 进行inet_protosw注册，既将inetsw_array中的每个元素，通过protocol下标（如SOCK_DGRAM）挂载到对应的inetsw链表中去，挂载节点为inet_protosw结构体中的list。该函数就是为了填充inetsw链表数组。

    static struct file_system_type sock_fs_type = {

        .name = "sockfs",

        .get_sb = sockfs_get_sb,

        .kill_sb = kill_anon_super,

    };

    static const struct super_operations sockfs_ops = {

        .alloc_inode = sock_alloc_inode,

        .destroy_inode = sock_destroy_inode,

        .statfs = simple_statfs,

    };

    全局静态结构sock_fs_type中的fs_supers是 s_id值为"sockfs"的超级块的挂载头节点，挂载点为s_instances。同时该超级块还通过s_list挂载到全局的super_blocks中。

sock_mnt是struct vfsmount结构的指针，在sock_init中创建，sock_mnt结构中的mnt_sb指向的就是s_id值为“sockfs”的超级快。

    s_id值为“sockfs”的超级块中的s_op成员是结构为struct super_operations的sockfs_ops，sockfs_ops是一个全局变量，包含alloc_inode、destroy_inode、statfs等操作函数。其中alloc_inode的接口函数为sock_alloc_inode。

    sock_alloc_inode函数中创建了struct socket_alloc结构的ei指针变量。

    struct socket_alloc {

        struct socket socket;

        struct inode vfs_inode;

    }

    struct socket {

        short type;  类型标记，比如udp的值为SOCK_DGRAM

        wait_queue_head_t wait;

        struct file *file;

        struct sock *sk;

        const struct proto_ops *ops; 如果是upd类型的话，此处的ops应该指向的是inet_dgram_ops

    }

socket系统调用

    socket -> __sock_create

• sock_alloc调用net_inode，其参数为sock_mnt->mnt_sb，也就是s_id为“sockfs”的超级块，参照上文。
• 在net_inode中通过alloc_inode创建inode结构指针变量inode。在alloc_inode函数中，实际使用的是超级块的alloc_inode函数，也就是sock_alloc_inode。在sock_alloc_inode函数中，创建了socket_alloc结构类型指针ei。ei指向的结构中包括socket和inode两种结构。既net_inode函数其实创建的是一个socket_alloc结构体，只不过使用其中的成员vfs_inode的地址作为操作指针，赋值给变量inode，随后使用i_list成员挂载到全局的inode_in_use链表，使用i_sb_list成员挂载到该超级块的s_inodes链表节点。
• 取ei中的socket成员地址，赋值给sock指针变量，并返回该sock指针。其中sock的类型是SOCK_DGRAM。从net_families全局数组中根据AF_INET取出inet_family_ops，随后通过pf->create调用inet_create函数。将sock作为参数传递给inet_create函数，具体inet_create函数操作如下：
• 根据协议类型SOCK_DGRAM从inetsw数组中取对应协议的链表头，遍历链表，取出来对应的struct inet_protosw结构数据answer，在遍历的时候会进行protocol的比较（暂时来看是无意义的比较），一般socket系统调用中的第三个参数填充为0，代表IPPROTO_IP，遇到第三个参数为IPPROTO_IP时，会自动进行type类型值的比较，当进行upd通信时，socket调用的第三个参数使用IPPROTO_UDP也是可以的。
• 将answer的ops赋值给sock->ops，此时的ops为inet_dgram_ops。具体定义见af_inet.c文件的inetsw_array全局数组。
• 调用sk_alloc创建struct sock结构数据指针sk。sk_alloc会调用 sk_prot_alloc，使用udp_prot里面的slab缓存区，通过kmem_cache_alloc函数开启一个空间大小为struct udp_sock的slab缓存空间。既sock结构指针sk其实指向的是一个udp_sock结构体。并将sk->sk_prot、sk->sk_prot_creator都赋值为udp_prot，随后将sk->net进行赋值（指向current->nsproxy->net_ns）。
• 对sk_alloc函数创建好的sock结构指针sk进行类型转换，转换为inet_sock结构指针。

    之所以可以进行转换，是因为udp_sock结构中包括成员inet，其类型为struct inet_sock。而inet_sock结构中包括成员sk，其类型为struct sock。

• 上面开辟的sock指针（socket结构指针），里面的sk成员指向sk（sock结构指针），而sk指针里面的成员sk_socket指向sock指针，既sk->sk_socket = sock。对sk的接收队列sk_receive_queue、发送队列sk_write_queue、错误队列sk_error_queue进行初始化。给sk的sk_rcvbuf／sk_sndbuf缓冲区赋值，发送和接受缓冲区的值使用了default默认值，可通过 "sysctl net.core.rmem_default  sysctl net.core.wmem_deafult"查看，也可通过"sysctl -w  net.core.rmem_default=....; sysctl -p" 或者 vi /etc/sysctl.conf来进行修改。同时还将sock中的成员wait（wait_queue_head_t 结构）赋值给sk中的sk_sleep，将sock中的type，此处是SOCK_DGRAM赋值给sk中的sk_type。这时候，sock与sk就建立了联系。
• 将protocol，既IPPROTO_UDP赋值给sk->protocol。

    socket -> sock_map_fd

• 创建file结构，建立fd与file之间的关系。将socket_file_ops赋值给file->f_op，同时将sock指针（socket结构）赋值给file->private_data。

    此时，fd、file、socket及sock就建立起来了联系，fdt->fd[fd] = file，既当前进程的fdt（struct fdtable结构）中的成员fd是一个二维指针（struct file**），通过fd作为下标可取出file指针。

bind 系统调用

• 调用sockfd_lookup_light函数，通过fd的值获取在socket系统调用中创建的sock指针（struct socket结构），主要根据fd获取对应的file，然后从file->private_data得到sock。
• 调用move_addr_to_kernel函数，将存储地址、端口信息的数据umyaddr（struct sockaddr *）存储到address（struct sockaddr_storage结构）中。
• 调用sock结构ops中的bind函数，根据上述知识点可知，sock->ops就是inet_dgram_ops结构指针，其中的bind函数为inet_bind。
• 在inet_bind函数中，从sock->sk得到sk（struct sock）指针，强转成inet指针（struct inet_sock）。将inet->rcv_saddr 和 inet->saddr赋值成sockaddr中的地址，将inet->sport 赋值为sockaddr中的端口号，其中daddr和dport为0。 在inet_bind中调用了sk->sk_prot->get_port接口，其中sk_prot指向udp_prot，而get_port则是udp_v4_get_port。
• 在udp_v4_get_port函数中调用udp_lib_get_port接口，在udp_lib_get_port中，如果upd没有选择要绑定的端口，则自动查找一个端口，此处略。sk中的sk_hash其实是绑定的端口号。udp_prot全局变量中有一个网络监听哈希表结构udptable(struct udp_table *结构，根据udp_prot.h.udp_table获取)，此时将监听端口调用udp_hashfn计算哈希值，并从udptable中提取冲突链头节点，使用udp_lib_lport_inuse函数从冲突链中判断当前监听端口是否已使用，未使用则将sk->sk_nulls_node作为节点插入到哈希冲突链中。

    此处需要说明一下，当网络数据包从网卡通过硬中断、软中断依次进入内核协议栈处理流程之后，是根据上述提到的网络监听哈希表来找到对应的监听套接字sk(struct sock 结构)，该结构中有对应的发送缓冲区和接受缓冲区。

 

select系统调用做了什么

接口说明

    select系统调用接口，一共需要5个参数。

    第一个参数表示监听的文件描述符的个数，最后一个是超时时间（struct timeval结构指针类型），中间是三个fd_set的数据结构，分表表示读事件的文件描述符集合、写事件的文件描述符集合以及错误事件的文件描述符集合。

    内核中对fd_set的定义是__kernel_fd_set：

    typedef struct {   unsigned long fds_bits[16];  }__kernel_fd_set; 

    把fds_bits当作位图，每一位对应一个文件描述符fd的值，一共可以表示1024个fd，这就是select系统调用为什么最多只能监听1024个文件描述符，且最大描述符的值不能超过1024的根本原因。select本身适用于轻量级的应用，在连接数不太多的系统里面足够了。

内核代码追踪

    sys_select -> core_sys_select

•  在内核中预开辟了stack_fds数组（long型数组）变量来承接fd_set中的值，预开辟的值有限，会根据传入的监听个数选择是否进行动态开辟，如果传入的监听的描述符个数是n，则选择开辟6 *n个位空间（内核中会进行字节数或者long变量个数的换算，此处用bit空间个数来表示，一个字节是8bit，而x86_64体系下long型占用8字节）来进行存储。之所以扩展6倍，是要同时存储读事件、写事件、错误事件监听集合以及各自的事件结果集合（当某个文件描述符fd的某个事件有数据到来，则在结果集的对应bit位置位）。
• 第一个传入的参数其实会影响到监听集合的拷贝，数值过小的话可能会让某些套接字监听不到。当然了，如果这部分代码不太会写，就是直接把1024作为第一个参数也是没有问题的，顶多会造成性能损耗和内核空间的浪费。

    然后调用do_select函数

•  在do_select中还创建了table（struct poll_wqueue结构）和wait(poll_table*类型的指针)，其中wait指向table.pt。此处定义的table和wait将在后续的读、写事件判断中使用。通过调用poll_initwait函数，将table.pt.qproc，既wait->qproc设置为函数__pollwait（poll_queue_proc），该函数将在后续的datagram_poll中使用。
• do_select的核心操作是一个循环体for(;;)，在主循环体里面从0到n，依次从之前开辟的fds（fd_set_bits结构，里面包括所有事件的监听集合和结果集合）中，取出并判断每一个文件描述符的读事件集合、写事件集合和错误事件集合，三个集合只要有一个对应bit位置置位，则提取对应文件描述符的f_op，从之前剖析socket及bind系统调用可知，此处的f_op指向 socket_file_ops。
• 随后调用f_op->poll函数，socket_file_ops中的poll函数为sock_poll。
• 在sock_poll函数中，通过file->private_data提取出来sock指针（struct socket结构指针）。而sock中的ops指向的是inet_dgram_ops，执行sock->ops->poll实际上调用了inet_dgram_ops中的poll函数udp_poll。
• 在udp_poll函数中，调用了datagram_poll函数，在datagram_poll函数中将在函数sock_poll_wait中调用__pollwait，在__pollwait中，将table结构中的entry(struct poll_table_entry结构)里面的wait作为挂载点，挂载到sk->sk_sleep中。在datagram_poll函数中，随后通过skb_queue_empty来判断sk的sk_error_queue(错误队列是否为空)，如果不为空则对mask置POLLERR。随后通过sk的sk_receive_queue是否为空，不为空则对mask置POLLIN。随后调用sock_writeable，通过sk->sk_sndbuf >> 1与sk->sk_wmem_alloc进行比较，如果缓冲区中剩余空间比发送缓冲区的一半还多，则可以继续进行发送，对mask置POLLOUT。
• do_select会对poll函数返回的mask值进行判断，并对读事件、写事件以及错误事件的结果集合进行置位，既对fds对应成员进行赋值，对应的网络套接字所期待的结果集有数据之，会对retval进行累加。
• do_select随后会调用poll_schedule_timeout函数，并在poll_schedule_timeout中调用了schedule_hrtimeout_range函数，函数会将超时时间通过expires（ktime_t类型，既计算出来的总nsec数）。当超时时间值为0时，则设置当前进程状态为TASK_RUNNING，并返回0。当超时时间为NULL时，此时整个select是所谓的阻塞状态，此时主动调用schedule进行进程调度，则设置当前进程状态为TASK_RUNNING，并返回-EINTR。后续通过hrtimer来判断阻塞时间，时间到了则返回0。
• 当返回0时候，do_select函数中的timeout设置为1，意味着阻塞时间到或者无需阻塞。
• 在主循环体中，当time_out为1，或者retval的值大于0时，或者当前进程有信号（signal_pending）需要处理时，do_select都会跳出主循环体for(;;)返回。
• 从do_select返回后，也就是跳出了循环，会将fds中的结果集拷贝回应用态空间，既select系统调用传入的三种监听集合fd_set。这里也是select性能的浪费，每次使用select都得重新赋值监听集合，而且在系统调用的内核空间还需要多次的拷贝。

小结

    通过上述的流程总结，我们基本上对select的所谓的轮训机制有了了解，这里的轮训并非单一的死循环，他对操作系统本身是没有太多的性能损耗，在永久阻塞或者超时模式下，都会主动进行schedule任务调度，即便使用NULL进行立即返回，我们在应用层处理的时候也是需要调用sleep或usleep来进行睡眠。

 

这篇关于IO端口复用之select的底层实现的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！

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