NuttX Socket 源碼學習

概述

NuttX 的 socket 實現是一個精心設計的網絡編程接口，提供了標準的 BSD socket API。該實現采用分層架構設計，支持多種網絡協議族（如 TCP/IP、UDP、Unix域套接字等），具有良好的可擴展性和模塊化特性。

整體架構設計

分層架構

NuttX socket 采用經典的分層架構設計：

應用層 API (socket, bind, connect, etc.)↓
Socket 抽象層 (socket.c, net_sockif.c)↓
協議族接口層 (inet, local, can, netlink, etc.)↓
具體協議實現層 (TCP, UDP, etc.)↓
設備接口層 (netdev)

核心組件

  1. Socket 抽象層: 提供統一的接口抽象，屏蔽不同協議族的差異

  2. 協議族接口: 為不同協議族提供統一的接口實現

  3. 連接管理: 管理 socket 連接的生命周期和狀態

  4. 數據傳輸: 處理數據的發送和接收

核心數據結構

1. struct socket - Socket 結構體

// 位置: nuttx/include/nuttx/net/net.h
struct socket
{uint8_t       s_domain;    // IP 域（協議族）uint8_t       s_type;      // 協議類型（SOCK_STREAM, SOCK_DGRAM等）uint16_t      s_proto;     // Socket 協議FAR void     *s_conn;      // 連接對象（繼承自 socket_conn_s）// Socket 接口函數表FAR const struct sock_intf_s *s_sockif;
};

作用:

  • 表示一個 socket 實例

  • 包含協議族、類型、協議等基本信息

  • 通過 s_sockif 指向具體的協議實現接口

2. struct socket_conn_s - Socket 連接基類

// 位置: nuttx/include/nuttx/net/net.h
struct socket_conn_s
{dq_entry_t node;        // 雙向鏈表節點// 回調函數鏈表（用于異步事件處理）FAR struct devif_callback_s *list;FAR struct devif_callback_s *list_tail;// Socket 選項
#ifdef CONFIG_NET_SOCKOPTSint16_t       s_error;     // 最后的錯誤碼sockopt_t     s_options;   // 選擇的 socket 選項socktimeo_t   s_rcvtimeo;  // 接收超時值（決秒）socktimeo_t   s_sndtimeo;  // 發送超時值（決秒）
#ifdef CONFIG_NET_SOLINGERsocktimeo_t   s_linger;    // Linger 超時值
#endif
#ifdef CONFIG_NET_BINDTODEVICEuint8_t       s_boundto;   // 綁定的網絡接口索引
#endif
#endifuint8_t       s_flags;     // Socket 狀態標志位uint8_t       s_tos;       // IPv4 服務類型/IPv6 流量類
#if defined(CONFIG_NET_IPv4) || defined(CONFIG_NET_IPv6)uint8_t       s_ttl;       // 默認生存時間
#endif
};

狀態標志位說明:

  • _SF_INITD: Socket 結構已初始化

  • _SF_NONBLOCK: 非阻塞模式

  • _SF_LISTENING: 正在監聽（SOCK_STREAM）

  • _SF_BOUND: 已綁定到地址

  • _SF_CONNECTED: 已連接

  • _SF_CLOSED: 已關閉

3. struct sock_intf_s - Socket 接口函數表

// 位置: nuttx/include/nuttx/net/net.h
struct sock_intf_s
{// 基本操作CODE int        (*si_setup)(FAR struct socket *psock);CODE sockcaps_t (*si_sockcaps)(FAR struct socket *psock);CODE void       (*si_addref)(FAR struct socket *psock);// 連接管理CODE int        (*si_bind)(FAR struct socket *psock,FAR const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);CODE int        (*si_listen)(FAR struct socket *psock, int backlog);CODE int        (*si_connect)(FAR struct socket *psock,FAR const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen);CODE int        (*si_accept)(FAR struct socket *psock,FAR struct sockaddr *addr, FAR socklen_t *addrlen,FAR struct socket *newsock, int flags);// 數據傳輸CODE ssize_t    (*si_sendmsg)(FAR struct socket *psock,FAR struct msghdr *msg, int flags);CODE ssize_t    (*si_recvmsg)(FAR struct socket *psock,FAR struct msghdr *msg, int flags);// 信息獲取CODE int        (*si_getsockname)(FAR struct socket *psock,FAR struct sockaddr *addr, FAR socklen_t *addrlen);CODE int        (*si_getpeername)(FAR struct socket *psock,FAR struct sockaddr *addr, FAR socklen_t *addrlen);// 其他操作CODE int        (*si_poll)(FAR struct socket *psock,FAR struct pollfd *fds, bool setup);CODE int        (*si_close)(FAR struct socket *psock);CODE int        (*si_ioctl)(FAR struct socket *psock,int cmd, unsigned long arg);CODE int        (*si_shutdown)(FAR struct socket *psock, int how);// 可選功能
#ifdef CONFIG_NET_SOCKOPTSCODE int        (*si_getsockopt)(FAR struct socket *psock, int level,int option, FAR void *value, FAR socklen_t *value_len);CODE int        (*si_setsockopt)(FAR struct socket *psock, int level,int option, FAR const void *value, socklen_t value_len);
#endif
#ifdef CONFIG_NET_SENDFILECODE ssize_t    (*si_sendfile)(FAR struct socket *psock,FAR struct file *infile, FAR off_t *offset, size_t count);
#endif
};

作用: 定義了所有 socket 操作的虛函數表，實現多態性支持不同協議族。

Socket 生命周期管理

1. Socket 創建 (socket.c)

函數: psock_socket(int domain, int type, int protocol, FAR struct socket *psock)

流程:

  1. 參數驗證和類型掩碼處理

  2. 初始化 socket 基本結構

  3. 嘗試 usrsock 接口（如果啟用）

  4. 通過 net_sockif() 獲取協議族接口

  5. 調用協議族的 si_setup() 進行特定初始化

  6. 設置非阻塞標志和初始化標志

int psock_socket(int domain, int type, int protocol, FAR struct socket *psock)
{FAR const struct sock_intf_s *sockif = NULL;int ret;// 參數驗證if (type & ~(SOCK_CLOEXEC | SOCK_NONBLOCK | SOCK_TYPE_MASK)){return -EINVAL;}// 初始化 socket 結構psock->s_domain = domain;psock->s_proto  = protocol;psock->s_conn   = NULL;psock->s_type   = type & SOCK_TYPE_MASK;// 獲取協議族接口sockif = net_sockif(domain, psock->s_type, psock->s_proto);if (sockif == NULL){return -EAFNOSUPPORT;}// 協議族特定初始化psock->s_sockif = sockif;ret = sockif->si_setup(psock);if (ret >= 0){FAR struct socket_conn_s *conn = psock->s_conn;if (type & SOCK_NONBLOCK){conn->s_flags |= _SF_NONBLOCK;}conn->s_flags |= _SF_INITD;}return ret;
}

2. Socket 綁定 (bind.c)

函數: psock_bind(FAR struct socket *psock, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)

流程:

  1. 驗證 socket 和地址有效性

  2. 調用協議族的 si_bind() 實現

  3. 設置 _SF_BOUND 標志

int psock_bind(FAR struct socket *psock, const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)
{int ret = OK;// 驗證參數if (!psock || psock->s_conn == NULL){return -EBADF;}if (addr == NULL){return -EFAULT;}// 調用協議族的綁定實現if (psock->s_sockif->si_bind == NULL){return -EOPNOTSUPP;}ret = psock->s_sockif->si_bind(psock, addr, addrlen);// 設置綁定標志if (ret >= 0){FAR struct socket_conn_s *conn = psock->s_conn;conn->s_flags |= _SF_BOUND;}return ret;
}

3. Socket 連接 (connect.c)

函數: psock_connect(FAR struct socket *psock, FAR const struct sockaddr *addr, socklen_t addrlen)

特點:

  • 支持阻塞和非阻塞連接

  • 取消點支持（可被信號中斷）

  • 連接狀態管理

4. Socket 監聽和接受 (listen.c, accept.c)

監聽: psock_listen() - 設置 _SF_LISTENING 標志 接受: psock_accept() - 創建新的連接 socket

數據傳輸機制

1. 發送數據架構

send() -> sendto() -> sendmsg() -> psock_sendmsg() -> si_sendmsg()

統一接口: 所有發送函數最終都通過 psock_sendmsg() 實現

// send.c 中的實現
ssize_t psock_send(FAR struct socket *psock, FAR const void *buf, size_t len, int flags)
{struct msghdr msg;struct iovec iov;// 構造 msghdr 結構iov.iov_base = (FAR void *)buf;iov.iov_len = len;msg.msg_name = NULL;msg.msg_namelen = 0;msg.msg_iov = &iov;msg.msg_iovlen = 1;msg.msg_control = NULL;msg.msg_controllen = 0;msg.msg_flags = 0;// 統一調用 sendmsgreturn psock_sendmsg(psock, &msg, flags);
}

2. 接收數據架構

recv() -> recvfrom() -> recvmsg() -> psock_recvmsg() -> si_recvmsg()

特點:

  • 支持阻塞和非阻塞接收

  • 超時控制

  • 取消點支持

協議族支持

1. 協議族注冊機制

通過 net_sockif() 函數進行協議族路由：

FAR const struct sock_intf_s *net_sockif(sa_family_t family, int type, int protocol)
{switch (family){case PF_INET:      // IPv4case PF_INET6:     // IPv6return inet_sockif(family, type, protocol);case PF_LOCAL:     // Unix 域套接字return &g_local_sockif;case PF_CAN:       // CAN 總線return &g_can_sockif;case PF_NETLINK:   // Netlink 套接字return &g_netlink_sockif;case PF_PACKET:    // 原始包套接字return &g_pkt_sockif;case PF_BLUETOOTH: // 藍牙套接字return &g_bluetooth_sockif;case PF_IEEE802154: // IEEE 802.15.4return &g_ieee802154_sockif;case PF_RPMSG:     // RPMSG 套接字return &g_rpmsg_sockif;default:return NULL;}
}

2. 主要協議族

  1. INET 協議族 (IPv4/IPv6):

    • 支持 TCP、UDP、ICMP 等協議

    • 完整的網絡功能支持

  2. LOCAL 協議族 (Unix 域套接字):

    • 進程間通信

    • 支持 SOCK_STREAM 和 SOCK_DGRAM

  3. CAN 協議族:

    • CAN 總線通信

    • 汽車電子應用

  4. 其他協議族:

    • NETLINK: 內核通信

    • PACKET: 原始數據包

    • BLUETOOTH: 藍牙通信

Socket 選項管理

1. Socket 選項位定義

// socket.h 中的定義
#define _SO_BIT(o)       (1 << (o))#define _SO_BROADCAST    _SO_BIT(SO_BROADCAST)    // 廣播權限
#define _SO_DEBUG        _SO_BIT(SO_DEBUG)        // 調試信息
#define _SO_DONTROUTE    _SO_BIT(SO_DONTROUTE)    // 繞過路由
#define _SO_KEEPALIVE    _SO_BIT(SO_KEEPALIVE)    // 保持連接活躍
#define _SO_LINGER       _SO_BIT(SO_LINGER)       // 延遲關閉
#define _SO_OOBINLINE    _SO_BIT(SO_OOBINLINE)    // 帶外數據內聯
#define _SO_RCVBUF       _SO_BIT(SO_RCVBUF)       // 接收緩沖區大小
#define _SO_RCVTIMEO     _SO_BIT(SO_RCVTIMEO)     // 接收超時
#define _SO_REUSEADDR    _SO_BIT(SO_REUSEADDR)    // 地址重用
#define _SO_SNDBUF       _SO_BIT(SO_SNDBUF)       // 發送緩沖區大小
#define _SO_SNDTIMEO     _SO_BIT(SO_SNDTIMEO)     // 發送超時
#define _SO_TIMESTAMP    _SO_BIT(SO_TIMESTAMP)    // 時間戳
#define _SO_BINDTODEVICE _SO_BIT(SO_BINDTODEVICE) // 綁定到設備

2. 選項操作宏

#define _SO_SETOPT(s,o)  ((s) |= _SO_BIT(o))   // 設置選項
#define _SO_CLROPT(s,o)  ((s) &= ~_SO_BIT(o))  // 清除選項
#define _SO_GETOPT(s,o)  (((s) & _SO_BIT(o)) != 0) // 檢查選項

3. 錯誤處理宏

#ifdef CONFIG_NET_SOCKOPTS
#define _SO_SETERRNO(s,e) \do { \if (s != NULL) { \_SO_CONN_SETERRNO((s)->s_conn, e); \} \} while (0)
#endif

超時控制機制

1. 超時值定義

typedef uint16_t socktimeo_t;  // 超時類型（決秒為單位，1決秒=0.1秒）#define _SO_TIMEOUT(t) ((t) ? (t) * MSEC_PER_DSEC : UINT_MAX)

2. 超時檢查函數

// net_timeo.c
int net_timeo(clock_t start_time, socktimeo_t timeo)
{// 檢查是否超時if (timeo != 0){clock_t elapsed = clock() - start_time;if (elapsed >= timeo * MSEC_PER_DSEC){return 1; // 超時}}return 0; // 未超時
}

錯誤處理機制

1. 錯誤碼設置

每個 socket 連接結構都包含錯誤字段：

int16_t s_error;  // 最后發生的錯誤

2. 錯誤傳播

  • 內核錯誤通過返回負的錯誤碼

  • 用戶空間API通過設置 errno 并返回 -1

3. 常見錯誤碼

  • EBADF: 無效的文件描述符

  • EAFNOSUPPORT: 不支持的地址族

  • EADDRINUSE: 地址已被使用

  • ECONNREFUSED: 連接被拒絕

  • ETIMEDOUT: 連接超時

  • EAGAIN: 資源暫時不可用

內存管理

1. 連接結構分配

每個協議族負責分配和管理自己的連接結構：

// 例如 TCP 連接分配
FAR struct tcp_conn_s *conn = tcp_alloc();
psock->s_conn = conn;

2. 緩沖區管理

  • 使用 IOB (I/O Buffer) 進行數據緩沖

  • 支持零拷貝優化

  • 動態內存分配和釋放

同步機制

1. 網絡鎖

net_lock();     // 獲取網絡全局鎖
// 臨界區代碼
net_unlock();   // 釋放網絡全局鎖

2. 回調機制

使用 devif_callback_s 結構進行異步事件處理：

struct devif_callback_s
{FAR struct devif_callback_s *nxtdev;  // 下一個回調uint16_t flags;                       // 事件標志uint16_t priv;                        // 私有數據devif_callback_event_t event;         // 回調函數
};

調試和監控

1. 調試宏

#ifdef CONFIG_DEBUG_NET
#  define ninfo(format, ...)   info(format, ##__VA_ARGS__)
#  define nerr(format, ...)    err(format, ##__VA_ARGS__)
#else
#  define ninfo(x...)
#  define nerr(x...)
#endif

2. 統計信息

NuttX 提供網絡統計信息用于監控和調試：

  • 連接數統計

  • 數據包統計

  • 錯誤統計

性能優化

1. 零拷貝支持

  • sendfile() 實現零拷貝文件傳輸

  • IOB 鏈表減少內存拷貝

2. 異步I/O

  • 非阻塞操作支持

  • poll/select 多路復用

  • 回調驅動的事件處理

3. 緩沖區優化

  • 可配置的緩沖區大小

  • 動態緩沖區分配

  • 內存池管理

配置選項

1. 主要配置項

CONFIG_NET                    // 啟用網絡支持
CONFIG_NET_SOCKOPTS          // 啟用 socket 選項
CONFIG_NET_SOLINGER          // 啟用 linger 選項
CONFIG_NET_BINDTODEVICE      // 啟用綁定到設備
CONFIG_NET_SENDFILE          // 啟用 sendfile 支持
CONFIG_NET_USRSOCK           // 啟用用戶空間 socket

2. 協議族配置

CONFIG_NET_LOCAL             // Unix 域套接字
CONFIG_NET_CAN               // CAN 總線
CONFIG_NET_NETLINK           // Netlink 套接字
CONFIG_NET_PKT               // 原始包套接字
CONFIG_NET_BLUETOOTH         // 藍牙支持
CONFIG_NET_IEEE802154        // IEEE 802.15.4 支持

擴展新協議族的方法

1. 定義協議族接口

const struct sock_intf_s g_myproto_sockif =
{myproto_setup,       // 初始化myproto_sockcaps,    // 能力查詢myproto_addref,      // 引用計數myproto_bind,        // 綁定myproto_getsockname, // 獲取本地地址myproto_getpeername, // 獲取對端地址myproto_listen,      // 監聽myproto_connect,     // 連接myproto_accept,      // 接受連接myproto_poll,        // 輪詢myproto_sendmsg,     // 發送消息myproto_recvmsg,     // 接收消息myproto_close,       // 關閉myproto_ioctl,       // 控制操作myproto_socketpair,  // 創建套接字對myproto_shutdown     // 關閉連接
};

2. 在 net_sockif() 中注冊

case PF_MYPROTO:sockif = &g_myproto_sockif;break;

3. 實現連接結構

struct myproto_conn_s
{struct socket_conn_s sconn;  // 基類（必須是第一個成員）// 協議特定的字段// ...
};

最佳實踐

1. 錯誤處理

  • 始終檢查函數返回值

  • 適當設置和傳播錯誤碼

  • 提供有意義的錯誤信息

2. 內存管理

  • 及時釋放分配的資源

  • 避免內存泄漏

  • 使用引用計數管理共享資源

3. 并發安全

  • 適當使用網絡鎖保護臨界區

  • 避免死鎖和競態條件

  • 考慮中斷上下文的安全性

4. 性能考慮

  • 減少不必要的內存拷貝

  • 使用適當的緩沖區大小

  • 考慮異步操作的使用

總結

NuttX 的 socket 實現展現了優秀的軟件架構設計：

  1. 分層設計: 清晰的抽象層次，良好的模塊化

  2. 多態支持: 通過函數指針表實現協議族的多態性

  3. 可擴展性: 易于添加新的協議族支持

  4. 標準兼容: 遵循 POSIX/BSD socket API 標準

  5. 性能優化: 零拷貝、異步I/O等優化技術

  6. 健壯性: 完善的錯誤處理和資源管理

這個實現為嵌入式系統提供了功能完整、性能優秀的網絡編程接口，是學習網絡協議棧設計的優秀范例。

參考文件列表

  • nuttx/net/socket/socket.h - Socket 模塊頭文件

  • nuttx/net/socket/socket.c - Socket 創建實現

  • nuttx/net/socket/net_sockif.c - 協議族接口路由

  • nuttx/net/socket/bind.c - Socket 綁定實現

  • nuttx/net/socket/connect.c - Socket 連接實現

  • nuttx/net/socket/accept.c - 連接接受實現

  • nuttx/net/socket/send.c - 數據發送實現

  • nuttx/net/socket/recv.c - 數據接收實現

  • nuttx/net/socket/setsockopt.c - Socket 選項設置

  • nuttx/net/socket/getsockopt.c - Socket 選項獲取

  • nuttx/include/nuttx/net/net.h - 網絡核心數據結構定義

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目錄 一、常見的數據融合平臺 &#xff08;一&#xff09;傳統數據融合平臺 &#xff08;二&#xff09;實時數據融合平臺 &#xff08;三&#xff09;云數據融合平臺 二、數據融合平臺在數據治理中的作用 &#xff08;一&#xff09;提升數據質量 &#xff08;二&#…
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??Linux：XFS 文件系統擴容完整指南

??Linux：XFS 文件系統擴容完整指南

???問題背景?? 在擴展 Linux 根目錄 / 時，我遇到了一個錯誤： sudo resize2fs /dev/uos/root resize2fs: 超級塊中的幻數有錯 嘗試打開 /dev/uos/root 時找不到有效的文件系統超級塊。 經過排查，發現根本原因是 ??文件系統類型是 XFS??，而 resize2fs 僅適用于 e…
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網絡安全之CTF專題賽RE題解

網絡安全之CTF專題賽RE題解

easyre hap文件改成zip格式然后解壓去反編譯abc文件即可拿到源碼 這里推薦一個網站.abcD 蠻好用的 下載反編譯結果&#xff0c;解壓后用vscode打開分析。 這里可以看到一些目錄結構&#xff0c;我們先看看flag目錄 x_2_2.count位1000000的時候就會輸出flag那么大概率是一個點…
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a padding to disable MSIE and Chrome friendly error page

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問題 a padding to disable MSIE and Chrome friendly error page 解決 nginx 代理地址 配錯了
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71、C# Parallel.ForEach 詳解

71、C# Parallel.ForEach 詳解

Parallel.ForEach 是 .NET Framework 4.0 引入的并行編程功能的一部分&#xff0c;位于 System.Threading.Tasks 命名空間中。它允許你對集合中的元素進行并行處理&#xff0c;可以顯著提高處理大量數據時的性能。 基本用法 using System; using System.Collections.Generic;…
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生產者-消費者模式在不同操作系統上的行為差異

生產者-消費者模式在不同操作系統上的行為差異

在多線程編程中&#xff0c;生產者-消費者模式是一種常見的設計模式&#xff0c;用于解決線程間的數據同步問題。最近&#xff0c;我在 Linux 和 macOS 上運行同一個生產者-消費者模式的程序時&#xff0c;發現它們表現出不同的行為。本文將介紹這個現象、分析其原因&#xff0…
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【JS-4.1-DOM獲取元素操作】深入理解DOM操作：高效獲取頁面元素的方法與實踐

【JS-4.1-DOM獲取元素操作】深入理解DOM操作：高效獲取頁面元素的方法與實踐

在現代Web開發中&#xff0c;DOM&#xff08;文檔對象模型&#xff09;操作是前端工程師的必備技能。而DOM操作的第一步&#xff0c;往往是從頁面中獲取我們需要操作的元素。本文將全面介紹各種獲取頁面元素的方法&#xff0c;分析它們的性能特點&#xff0c;并提供最佳實踐建議…
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