tcp socket的發送與接收緩沖區

    tcp socket的發送緩沖區實際上是一個結構體struct sk_buff的隊列，我們可以把它稱為發送緩沖隊列，由結構體struct sock的成員sk_write_queue(struct sk_buf_head)表示。sk_write_queue是一個結構體struct sk_buff_head類型，這是一個struct sk_buff的雙向鏈表，其定義如下：
    struct sk_buff_head {
        struct sk_buff *next;      //后指針
        struct sk_buff *prev;      //前指針
        __u32           qlen;       //隊列長度（即含有幾個struct sk_buff)
        spinlock_t      lock;       //鏈表鎖
    };
    內核代碼中，先在這個隊列中創建足夠存放數據的struct sk_buff，然后向隊列存入應用數據。
    結構體struct sock的成員sk_wmem_queued表示發送緩沖隊列中已分配的字節數，一般來說，分配一個struct sk_buff是用於存放一個tcp數據報，其分配字節數應該是MSS+協議首部長度。在我的實驗環境中，MSS值是1448，協議首部取最大長度MAX_TCP_HEADER，在我的實驗環境中為224。經數據對齊處理后，最后struct sk_buff的truesize為1956。也就是隊列中每分配一個struct sk_buff，成員sk_wmem_queue的值就增加1956。
    struct sock的成員sk_forward_alloc是表示預分配長度。當我們第一次要為發送緩沖隊列分配一個struct sk_buff時，我們並不是直接分配需要的內存大小，而是會以內存頁為單位進行的預分配。
    tcp協議分配struct sk_buff的函數是sk_stream_alloc_pskb。它首先根據傳入的參數指定的大小在內存中分配一個struct sk_buff，如果成功，sk_forward_alloc取該大小值，並向上取整到頁(4096字節)的整數倍。並累加到struct sock的成員sk_prot，也即表示tcp協議的結構體mytcp_prot的成員memory_allocated中，該成員是一個指針，指向變量tcp_memory_allocated，它表示的是當前整個TCP協議當前為緩沖區所分配的內存(包括讀緩沖隊列)
    當把這個新分配成功的struct sk_buff放入到緩沖隊列sk_write_queue后，從sk_forward_alloc中減去該sk_buff的truesize值。第二次分配struct sk_buff時，只要再從sk_forward_alloc中減去新的sk_buff的truesize即可，如果sk_forward_alloc已經小於當前的truesize，則將其再加上一個頁的整數倍值，並累加入tcp_memory_allocated。
    也就是說，通過sk_forward_alloc使全局變量tcp_memory_allocated保存當前tcp協議總的緩沖區分配內存的大小,並且該大小是頁邊界對齊的。
前面講到struct sock的成員sk_forward_alloc表示預分配內存大小，用於向全局變量mytcp_memory_allocated累加當前已分配的整個TCP協議的緩沖區大小。之所以要累加這個值，是為了對tcp協議總的可用緩沖區大小作限制。表示TCP協議的結構體mytcp_prot還有幾個成員與緩沖區相關。
    mysysctl_tcp_mem是一個數組，由mytcp_prot的成員sysctl_mem指向，數組共有三個元素，mysysctl_tcp_mem[0]表示對緩沖區總的可用大小的最低限制，當前總共分配的緩沖區大小低於這個值，則沒有問題，分配成功。mysysctl_tcp_mem[2]表示對緩沖區可用大小的最高硬性限制，一旦總分配的緩沖區大小超出這個值，我們只好把tcp
socket的發送緩沖區的預設大小sk_sndbuf減小為已分配緩沖隊列大小的一半，但不能小於SOCK_MIN_SNDBUF(2K)，但保證這一次的分配成功。mysysctl_tcp_mem[1]介於前面兩個值的中間，這是一個警告值，一旦超出這個值，進入警告狀態，這個狀態下，根據調用參數來決定此次分配是否成功。
    這三個值的大小是根據所在系統的內存大小，在初始化時決定的，在我的實驗環境中，內存大小為256M，這三個值分配是：96K，128K，192K。它們可以通過/proc文件系統，在/proc/sys/net/ipv4/tcp_mem中進行修改。當然，除非特別需要，一般無需改動這些缺省值。
    mysysctl_tcp_wmem也是一個同樣結構的數組，表示發送緩沖區的大小限制，由mytcp_prot的成員sysctl_wmem指向，其缺省值分別是4K，16K，128K。可以通過/proc文件系統，在/proc/sys/net/ipv4/tcp_wmem中進行修改。struct sock的成員sk_sndbuf的值是真正的發送緩沖隊列的預設大小，其初始值取中間一個16K。在tcp數據報的發送過程中，一旦sk_wmem_queued超過sk_sndbuf的值，則發送停止，等待發送緩沖區可用。因為有可能一批已發送出去的數據還沒有收到ACK，同時，緩沖隊列中的數據也可全部發出去，已達到清空緩沖隊列的目的，所以，只要在網絡不是很差的情況下(差到沒有辦法收到ACK)，這個等待在一段時間后會成功的。
    全局變量mytcp_memory_pressure是一個標志，在tcp緩沖大小進入警告狀態時，它置1，否則置0。
mytcp_sockets_allocated是到目前為止，整個tcp協議中創建的socket的個數，由mytcp_prot的成員sockets_allocated指向。可以在/proc/net/sockstat文件中查看，這只是一個供統計查看用的數據，沒有任何實際的限制作用。
    mytcp_orphan_count表示整個tcp協議中待銷毀的socket的個數(已無用的socket)，由mytcp_prot的成員orphan_count指向，也可以在/proc/net/sockstat文件中查看。
    mysysctl_tcp_rmem是跟mysysctl_tcp_wmem相同結構的數組，表示接收緩沖區的大小限制，由mytcp_prot的成員sysctl_rmem指向，其缺省值分別是4096bytes，87380bytes，174760bytes。它們可以通過/proc文件系統，在/proc/sys/net/ipv4/tcp_rmem中進行修改。struct sock的成員sk_rcvbuf表示接收緩沖隊列的大小，其初始值取mysysctl_tcp_rmem[1],成員sk_receive_queue是接收緩沖隊列，結構跟sk_write_queue相同。
    tcp socket的發送緩沖隊列跟接收緩沖隊列的大小既可以通過/proc文件系統進行修改，也可以通過TCP選項操作進行修改。套接字級別上的選項SO_RCVBUF可用於獲取和修改接收緩沖隊列的大小(即strcut sock->sk_rcvbuf的值)，比如下列的代碼可用於獲取當前系統的接收緩沖隊列大小：
    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 );
    而套接字級別上的選項SO_SNDBUF則用於獲取和修改發送緩沖隊列的大小(即struct sock->sk_sndbuf的值)，代碼同上，只需改SO_RCVBUF為SO_SNDBUF即可。
    獲取發送和接收緩沖區的大小相對簡單一些，而設置的操作在內核中動作會稍微復雜一些，另外，在接口上也會有所差異，即由setsockopt傳入的表示緩沖區大小的參數是實際大小的1/2，即，如果想要設發送緩沖區的大小為20K，則需要這樣調用setsockopt：
     int rcvbuf_len = 10 * 1024; //實際緩沖區大小的一半。
     int len = sizeof(rcvbuf_len);
     if( setsockopt( fd, SOL_SOCKET, SO_SNDBUF, (void *)&rcvbuf_len, len ) < 0 ){
        perror("getsockopt: ");
        return -1;
     }
    在內核中，首先內核要判斷新設置的值是否超過上限，若超過，則取上限為新值，發送和接收緩沖區大小的上限值分別為sysctl_wmem_max和sysctl_rmem_max的2倍。這兩個全局變量的值是相等的，都為(sizeof(struct sk_buff) + 256) * 256，大概為64K負載數據，由於struct sk_buff的影響，實際發送和接收緩沖區的大小最大都可設到210K左右。它們的下限是2K,即緩沖區大小不能低於2K。
    另外，SO_SNDBUF和SO_RCVBUF有一個特殊的版本：SO_SNDBUFFORCE和SO_RCVBUFFORCE，它們不受發送和接收緩沖區大小上限的限制，可設置不小於2K的任意緩沖區大小。