socket的发送与接收缓冲区

应用程序可通过调用send(write, sendmsg等)利用tcp socket向网络发送应用数据，而tcp/ip协议栈再通过网络设备接口把已经组织成struct sk_buff的应用数据(tcp数据报)真正发送到网络上，由于应用程序调用send的速度跟网络介质发送数据的速度存在差异，所以，一部分应用数据被组织成tcp数据报之后，会缓存在tcp socket的发送缓存队列中，等待网络空闲时再发送出去。同时，tcp协议要求对端在收到tcp数据报后，要对其序号进行ACK，只有当收到一个tcp 数据报的ACK之后，才可以把这个tcp数据报(以一个struct sk_buff的形式存在)从socket的发送缓冲队列中清除。
    tcp socket的发送缓冲区实际上是一个结构体struct sk_buff的队列，我们可以把它称为发送缓冲队列，由结构体struct sock的成员sk_write_queue表示。sk_write_queue是一个结构体struct sk_buff_head类型，这是一个struct sk_buff的双向链表，其定义如下：
    struct sk_buff_head {
        struct sk_buff  *next;      //后指针
        struct sk_buff  *prev;      //前指针
        __u32           qlen;       //队列长度（即含有几个struct sk_buff)
        spinlock_t      lock;       //链表锁
    };
    内核代码中，先在这个队列中创建足够存放数据的struct sk_buff，然后向队列存入应用数据。
    结构体struct sock的成员sk_wmem_queued表示发送缓冲队列中已分配的字节数，一般来说，分配一个struct sk_buff是用于存放一个tcp数据报，其分配字节数应该是MSS+协议首部长度。在我的实验环境中，MSS值是1448，协议首部取最大长度 MAX_TCP_HEADER，在我的实验环境中为224。经数据对齐处理后，最后struct sk_buff的truesize为1956。也就是队列中每分配一个struct sk_buff，成员sk_wmem_queue的值就增加1956。
    struct sock的成员sk_forward_alloc是表示预分配长度。当我们第一次要为发送缓冲队列分配一个struct sk_buff时，我们并不是直接分配需要的内存大小，而是会以内存页为单位进行的预分配。
    tcp协议分配struct sk_buff的函数是sk_stream_alloc_pskb。它首先根据传入的参数指定的大小在内存中分配一个struct sk_buff，如果成功，sk_forward_alloc取该大小值，并向上取整到页(4096字节)的整数倍。并累加到struct sock的成员sk_prot，也即表示tcp协议的结构体mytcp_prot的成员memory_allocated中，该成员是一个指针，指向变量 tcp_memory_allocated，它表示的是当前整个TCP协议当前为缓冲区所分配的内存(包括读缓冲队列)
    当把这个新分配成功的struct sk_buff放入到缓冲队列sk_write_queue后，从sk_forward_alloc中减去该sk_buff的truesize值。第二次分配struct sk_buff时，只要再从sk_forward_alloc中减去新的sk_buff的truesize即可，如果sk_forward_alloc已经小于当前的truesize，则将其再加上一个页的整数倍值，并累加入tcp_memory_allocated。
    也就是说，通过sk_forward_alloc使全局变量tcp_memory_allocated保存当前tcp协议总的缓冲区分配内存的大小,并且该大小是页边界对齐的。

(2)

前面讲到struct sock的成员sk_forward_alloc表示预分配内存大小，用于向全局变量mytcp_memory_allocated累加当前已分配的整个 TCP协议的缓冲区大小。之所以要累加这个值，是为了对tcp协议总的可用缓冲区大小作限制。表示TCP协议的结构体mytcp_prot还有几个成员与缓冲区相关。
    mysysctl_tcp_mem是一个数组，由mytcp_prot的成员sysctl_mem指向，数组共有三个元素，mysysctl_tcp_mem[0]表示对缓冲区总的可用大小的最低限制，当前总共分配的缓冲区大小低于这个值，则没有问题，分配成功。 mysysctl_tcp_mem[2]表示对缓冲区可用大小的最高硬性限制，一旦总分配的缓冲区大小超出这个值，我们只好把tcp
socket 的发送缓冲区的预设大小sk_sndbuf减小为已分配缓冲队列大小的一半，但不能小于SOCK_MIN_SNDBUF(2K)，但保证这一次的分配成功。mysysctl_tcp_mem[1]介于前面两个值的中间，这是一个警告值，一旦超出这个值，进入警告状态，这个状态下，根据调用参数来决定此次分配是否成功。
    这三个值的大小是根据所在系统的内存大小，在初始化时决定的，在我的实验环境中，内存大小为256M，这三个值分配是：96K，128K，192K。它们可以通过/proc文件系统，在/proc/sys/net/ipv4/tcp_mem中进行修改。当然，除非特别需要，一般无需改动这些缺省值。
    mysysctl_tcp_wmem也是一个同样结构的数组，表示发送缓冲区的大小限制，由mytcp_prot的成员sysctl_wmem指向，其缺省值分别是4K，16K，128K。可以通过/proc文件系统，在/proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem中进行修改。struct sock的成员sk_sndbuf的值是真正的发送缓冲队列的预设大小，其初始值取中间一个16K。在tcp数据报的发送过程中，一旦 sk_wmem_queued超过sk_sndbuf的值，则发送停止，等待发送缓冲区可用。因为有可能一批已发送出去的数据还没有收到ACK，同时，缓冲队列中的数据也可全部发出去，已达到清空缓冲队列的目的，所以，只要在网络不是很差的情况下(差到没有办法收到ACK)，这个等待在一段时间后会成功的。
    全局变量mytcp_memory_pressure是一个标志，在tcp缓冲大小进入警告状态时，它置1，否则置0。

(3)

mytcp_sockets_allocated是到目前为止，整个tcp协议中创建的socket的个数，由mytcp_prot的成员 sockets_allocated指向。可以在/proc/net/sockstat文件中查看，这只是一个供统计查看用的数据，没有任何实际的限制作用。
    mytcp_orphan_count表示整个tcp协议中待销毁的socket的个数(已无用的socket)，由mytcp_prot的成员orphan_count指向，也可以在/proc/net/sockstat文件中查看。
    mysysctl_tcp_rmem是跟mysysctl_tcp_wmem相同结构的数组，表示接收缓冲区的大小限制，由mytcp_prot的成员 sysctl_rmem指向，其缺省值分别是4096bytes，87380bytes，174760bytes。它们可以通过/proc文件系统，在 /proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem中进行修改。struct sock的成员sk_rcvbuf表示接收缓冲队列的大小，其初始值取mysysctl_tcp_rmem[1],成员sk_receive_queue 是接收缓冲队列，结构跟sk_write_queue相同。
    tcp socket的发送缓冲队列跟接收缓冲队列的大小既可以通过/proc文件系统进行修改，也可以通过TCP选项操作进行修改。套接字级别上的选项 SO_RCVBUF可用于获取和修改接收缓冲队列的大小(即strcut sock->sk_rcvbuf的值)，比如下列的代码可用于获取当前系统的接收缓冲队列大小：
    int rcvbuf_len;
    int len = sizeof(rcvbuf_len);
    if( getsockopt( fd, SOL_SOCKET, SO_RCVBUF, (void *)&rcvbuf_len, &len ) < 0 ){
        perror("getsockopt: ");
        return -1;
    }
    printf("the recevice buf len: %d\n", rcvbuf_len );
    而套接字级别上的选项SO_SNDBUF则用于获取和修改发送缓冲队列的大小(即struct sock->sk_sndbuf的值)，代码同上，只需改SO_RCVBUF为SO_SNDBUF即可。
    获取发送和接收缓冲区的大小相对简单一些，而设置的操作在内核中动作会稍微复杂一些，另外，在接口上也会有所差异，即由setsockopt传入的表示缓冲区大小的参数是实际大小的1/2，即，如果想要设发送缓冲区的大小为20K，则需要这样调用setsockopt：
     int rcvbuf_len = 10 * 1024;  //实际缓冲区大小的一半。
     int len = sizeof(rcvbuf_len);
     if( setsockopt( fd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (void *)&rcvbuf_len, len ) < 0 ){
        perror("getsockopt: ");
        return -1;
     }
    在内核中，首先内核要判断新设置的值是否超过上限，若超过，则取上限为新值，发送和接收缓冲区大小的上限值分别为sysctl_wmem_max和 sysctl_rmem_max的2倍。这两个全局变量的值是相等的，都为(sizeof(struct sk_buff) + 256) * 256，大概为64K负载数据，由于struct sk_buff的影响，实际发送和接收缓冲区的大小最大都可设到210K左右。它们的下限是2K,即缓冲区大小不能低于2K。
    另外，SO_SNDBUF和SO_RCVBUF有一个特殊的版本：SO_SNDBUFFORCE和SO_RCVBUFFORCE，它们不受发送和接收缓冲区大小上限的限制，可设置不小于2K的任意缓冲区大小。(完)

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以下内容是Socket相关参数的设置方法

1. 如果在已经处于 ESTABLISHED状态下的socket(一般由端口号和标志符区分）调用
closesocket（一般不会立即关闭而经历TIME_WAIT的过程）后想继续重用该socket：
BOOL bReuseaddr=TRUE;
setsockopt(s,SOL_SOCKET ,SO_REUSEADDR,(const char*)&bReuseaddr,sizeof(BOOL));
2. 如果要已经处于连接状态的soket在调用closesocket后强制关闭，不经历
TIME_WAIT的过程：
BOOL bDontLinger = FALSE;
setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_DONTLINGER,(const char*)&bDontLinger,sizeof(BOOL));
3.在send(),recv()过程中有时由于网络状况等原因，发收不能预期进行,而设置收发时限：
int nNetTimeout=1000;//1秒
//发送时限
setsockopt(socket，SOL_S0CKET,SO_SNDTIMEO，(char *)&nNetTimeout,sizeof(int));
//接收时限
setsockopt(socket，SOL_S0CKET,SO_RCVTIMEO，(char *)&nNetTimeout,sizeof(int));
4.在send()的时候，返回的是实际发送出去的字节(同步)或发送到socket缓冲区的字节
(异步);系统默认的状态发送和接收一次为8688字节(约为8.5K)；在实际的过程中发送数据
和接收数据量比较大，可以设置socket缓冲区，而避免了send(),recv()不断的循环收发：
// 接收缓冲区
int nRecvBuf=32*1024;//设置为32K
setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_RCVBUF,(const char*)&nRecvBuf,sizeof(int));
//发送缓冲区
int nSendBuf=32*1024;//设置为32K
setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_SNDBUF,(const char*)&nSendBuf,sizeof(int));
5. 如果在发送数据的时，希望不经历由系统缓冲区到socket缓冲区的拷贝而影响
程序的性能：
int nZero=0;
setsockopt(socket，SOL_S0CKET,SO_SNDBUF，(char *)&nZero,sizeof(nZero));
6.同上在recv()完成上述功能(默认情况是将socket缓冲区的内容拷贝到系统缓冲区)：
int nZero=0;
setsockopt(socket，SOL_S0CKET,SO_RCVBUF，(char *)&nZero,sizeof(int));
7.一般在发送UDP数据报的时候，希望该socket发送的数据具有广播特性：
BOOL bBroadcast=TRUE;
setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_BROADCAST,(const char*)&bBroadcast,sizeof(BOOL));
8.在client连接服务器过程中，如果处于非阻塞模式下的socket在connect()的过程中可
以设置connect()延时,直到accpet()被呼叫(本函数设置只有在非阻塞的过程中有显著的
作用，在阻塞的函数调用中作用不大)
BOOL bConditionalAccept=TRUE;
setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_CONDITIONAL_ACCEPT,(const char*)&bConditionalAccept,sizeof(BOOL));
9.如果在发送数据的过程中(send()没有完成，还有数据没发送)而调用了closesocket(),以前我们
一般采取的措施是"从容关闭"shutdown(s,SD_BOTH),但是数据是肯定丢失了，如何设置让程序满足具体
应用的要求(即让没发完的数据发送出去后在关闭socket)？
struct linger {
u_short l_onoff;
u_short l_linger;
};
linger m_sLinger;
m_sLinger.l_onoff=1;//(在closesocket()调用,但是还有数据没发送完毕的时候容许逗留)
// 如果m_sLinger.l_onoff=0;则功能和2.)作用相同;
m_sLinger.l_linger=5;//(容许逗留的时间为5秒)
setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_LINGER,(const char*)&m_sLinger,sizeof(linger));
Note:1.在设置了逗留延时，用于一个非阻塞的socket是作用不大的，最好不用;
2.如果想要程序不经历SO_LINGER需要设置SO_DONTLINGER，或者设置l_onoff=0；
10.还一个用的比较少的是在SDI或者是Dialog的程序中，可以记录socket的调试信息：
(前不久做过这个函数的测试，调式信息可以保存，包括socket建立时候的参数,采用的
具体协议，以及出错的代码都可以记录下来）
BOOL bDebug=TRUE;
setsockopt(s,SOL_SOCKET,SO_DEBUG,(const char*)&bDebug,sizeof(BOOL));
11.附加：往往通过setsockopt()设置了缓冲区大小，但还不能满足数据的传输需求，
我的习惯是自己写个处理网络缓冲的类，动态分配内存;下面我将这个类写出，希望对
初学者有所帮助：

//仿照String 改写而成
//==============================================================================
// 二进制数据，主要用于收发网络缓冲区的数据
// CNetIOBuffer 以 MFC 类 CString 的源代码作为蓝本改写而成，用法与 CString 类似，
// 但是 CNetIOBuffer 中存放的是纯粹的二进制数据，'/0' 并不作为它的结束标志。
// 其数据长度可以通过 GetLength() 获得，缓冲区地址可以通过运算符 LPBYTE 获得。


//==============================================================================
// Copyright (c) All-Vision Corporation. All rights reserved.
// Module: NetObject
// File: SimpleIOBuffer.h
// Author: gdy119
// Email : [e-mail]
// Date: 2004.11.26
//==============================================================================
// NetIOBuffer.h
#ifndef _NETIOBUFFER_H
#define _NETIOBUFFER_H
//=============================================================================
#define MAX_BUFFER_LENGTH 1024*1024
//=============================================================================
//主要用来处理网络缓冲的数据
class CNetIOBuffer
{
protected:
LPBYTE m_pbinData;
int m_nLength;
int m_nTotalLength;
CRITICAL_SECTIONm_cs;
void Initvalibers();
public:
CNetIOBuffer();
CNetIOBuffer(const LPBYTE lbbyte, int nLength);
CNetIOBuffer(const CNetIOBuffer&binarySrc);
virtual ~CNetIOBuffer();
//=============================================================================
BOOL CopyData(const LPBYTE lbbyte, int nLength);
BOOL ConcatData(const LPBYTE lbbyte, int nLength);
void ResetIoBuffer();
int GetLength() const;
BOOL SetLength(int nLen);
LPBYTE GetCurPos();
int GetRemainLen();
BOOL IsEmpty() const;
operator LPBYTE() const;
static GetMaxLength() { return MAX_BUFFER_LENGTH; }
const CNetIOBuffer& operator=(const CNetIOBuffer& buffSrc);
};
#endif //
// NetOBuffer.cpp: implementation of the CNetIOBuffer class.
//======================================================================
#include "stdafx.h"
#include "NetIOBuffer.h"
//======================================================================
//=======================================================================
// Construction/Destruction
CNetIOBuffer::CNetIOBuffer()
{
Initvalibers();

}
CNetIOBuffer::CNetIOBuffer(const LPBYTE lbbyte, int nLength)
{
Initvalibers();
CopyData(lbbyte, nLength);
}
CNetIOBuffer::~CNetIOBuffer()
{
delete []m_pbinData;
m_pbinData=NULL;
DeleteCriticalSection(&m_cs);

}
CNetIOBuffer::CNetIOBuffer(const CNetIOBuffer&binarySrc)
{

Initvalibers();
CopyData(binarySrc,binarySrc.GetLength());

}
void CNetIOBuffer::Initvalibers()
{

m_pbinData = NULL;
m_nLength = 0;
m_nTotalLength = MAX_BUFFER_LENGTH;
if(m_pbinData==NULL)
{
m_pbinData=new BYTE[m_nTotalLength];
ASSERT(m_pbinData!=NULL);
}
InitializeCriticalSection(&m_cs);
}
void CNetIOBuffer::ResetIoBuffer()
{
EnterCriticalSection(&m_cs);
m_nLength = 0;
memset(m_pbinData,0,m_nTotalLength);
LeaveCriticalSection(&m_cs);
}

BOOL CNetIOBuffer::CopyData(const LPBYTE lbbyte, int nLength)
{
if( nLength > MAX_BUFFER_LENGTH )
return FALSE;

ResetIoBuffer();
EnterCriticalSection(&m_cs);
memcpy(m_pbinData, lbbyte, nLength );
m_nLength = nLength;
LeaveCriticalSection(&m_cs);

return TRUE;
}

BOOL CNetIOBuffer::ConcatData(const LPBYTE lbbyte, int nLength)
{
if( m_nLength + nLength > MAX_BUFFER_LENGTH )
return FALSE;

EnterCriticalSection(&m_cs);
memcpy(m_pbinData+m_nLength, lbbyte, nLength );
m_nLength += nLength;
LeaveCriticalSection(&m_cs);

return TRUE;
}

int CNetIOBuffer::GetLength() const
{
return m_nLength;
}

BOOL CNetIOBuffer::SetLength(int nLen)
{
if( nLen > MAX_BUFFER_LENGTH )
return FALSE;

EnterCriticalSection(&m_cs);
m_nLength = nLen;
LeaveCriticalSection(&m_cs);

return TRUE;
}

LPBYTE CNetIOBuffer::GetCurPos()
{

if( m_nLength < MAX_BUFFER_LENGTH )

return (m_pbinData+m_nLength);

else
return NULL;
}

CNetIOBuffer:: operator LPBYTE() const
{
return m_pbinData;
}

int CNetIOBuffer::GetRemainLen()
{

return MAX_BUFFER_LENGTH - m_nLength;

}
BOOL CNetIOBuffer::IsEmpty() const
{
return m_nLength == 0;
}

const CNetIOBuffer& CNetIOBuffer:: operator=(const CNetIOBuffer& buffSrc)
{
if(&buffSrc!=this)
{
CopyData(buffSrc, buffSrc.GetLength());

}
return *this;

}



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其实我觉得第5条很应该值得注意
int nZero=0;
setsockopt(socket，SOL_S0CKET,SO_SNDBUF，(char *)&nZero,sizeof(nZero));

记得以前有些朋友讨论过，socket虽然send成功了，但是其实只是发送到数据缓冲区里面了，而并没有真正的在物理设备上发送出去；而通过这条语句，将发送缓冲区设置为0，即屏蔽掉发送缓冲以后，一旦send返回（当然是就阻塞套结字来说），就可以肯定数据已经在发送的途中了^_^，但是这样做也许会影响系统的性能


to:Sander()
UDP也有拷贝过程，但是UDP包有最大限制为64K；
TCP_NODELAY 一般用在the normal data stream 上；
12.发送数据时候一般是系统缓冲区满以后才发送，现在设置为只要系统
缓冲区有数据就立刻发送：
BOOL bNodelay=TRUE;
SetSockOpt(s,IPPROTO_TCP,TCP_NODELAY,(const char*)&bNodelayt,sizeof(BOOL));