【lwip】15-NETCONN接口

前言

终于到接口层了。

原文：李柱明博客：https://www.cnblogs.com/lizhuming/p/17442931.html

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框架描述

前面我们已经学完了，都知道raw接口了，其实也可以直接用，就是麻烦点。

这里NETCONN就是封装了raw接口，让用户使用更加简单。

socket接口是封装NETconn接口的，让用户使用更加标准，方便应用程序移植。

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NETCONN的接口框架：

解耦：编写回调函数xxx_tcp()、xxx_udp()，注册到协议栈里面。协议栈通过回调函数告知接口层，当前PCB的状态信息。接口层根据当前PCB的状态信息做相应处理即可。

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文件：

• api_msg.c​：构建api msg，被netconn调用，发送到内核锁或tcpip内核线程执行指定的回调函数。
• api_lib.c​：netconn API。
• sockets.c​：socket套接字接口层，封装netconn接口。供用户使用。

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NETCONN重要组成

内核回调接口

在raw/callback API编程时，用户编程的方法就是向内核注册各种自定义的回调函数，回调函数是与内核实现交互的唯一方式。

协议栈API NETCONN是基于raw/callback API实现的。

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内核通过调用注册到TCP/UDP内核的回调函数，把接收到的数据或可发送数据的事件发送回netconn对应的邮箱中，上层检查这些邮箱即可和内核协议栈交互。

netbuf：数据缓冲

netbuf是应用层描述待发送数据和已接收数据的基本结构。当然，最基本的粒度数据结构还是pbuf。

应用层接收数据：

• 当协议栈收到数据包后，会将数据封装在一个netbuf​中，并递交给应用层。

应用层发送数据：

• TCP：用户只需要提供待发数据的起始地址和长度，内核会根据实际情况封装在合适大小的数据包中。
• UDP：需要用户自行将数据封装在netbuf​​结构中。

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netbuf数据结构：

/** "Network buffer" - contains data and addressing info */
struct netbuf {
  struct pbuf *p, *ptr; /* 包缓冲区。p：pbuf链。ptr：pbuf链中当前pbuf游标。 */
  ip_addr_t addr; /* 发送方IP */
  u16_t port; /* 发送方端口 */
#if LWIP_NETBUF_RECVINFO || LWIP_CHECKSUM_ON_COPY
  u8_t flags; /* 标志位 */
  u16_t toport_chksum; /* 目的端口号。用于checksum */
#if LWIP_NETBUF_RECVINFO
  ip_addr_t toaddr; /* 目的地址 */
#endif /* LWIP_NETBUF_RECVINFO */
#endif /* LWIP_NETBUF_RECVINFO || LWIP_CHECKSUM_ON_COPY */
};

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netconn：接口数据结构

代表一个连接，TCP或UDP等。

相关文件：api.h

分析完UDP和TCP协议实现后，会分析他们的原生接口udp_xxx()和tcp_xxx()都是互相独立的。

而连接结构netconn就是为了统一这些接口。

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netconn控制块：

/** A netconn descriptor */
struct netconn {
  /** type of the netconn (TCP, UDP or RAW) */
  enum netconn_type type; /* 连接类型 */
  enum netconn_state state; /* netconn当前状态。即是当前netconn被哪些netconn API占用 */
  union {
    struct ip_pcb  *ip;   /* IP控制块 */
    struct tcp_pcb *tcp;  /* TCP控制块 */
    struct udp_pcb *udp;  /* UDP控制块 */
    struct raw_pcb *raw;  /* TCP控制块 */
  } pcb;  /* 内核中与连接相关的控制块指针 */
  /* 此netconn的最新未报告的异步错误 */
  err_t pending_err;
#if !LWIP_NETCONN_SEM_PER_THREAD /* 只能每个netconn数据结构占用一个信号量 */

  /* 信号量。是对一个API完成两部分线程的同步。如用户调用API，API调用内核API，并等待内核API完成后通过该信号量通知当前API。 */
  sys_sem_t op_completed;
#endif

  /* 接收数据的邮箱。数据缓冲队列。 */
  sys_mbox_t recvmbox;
#if LWIP_TCP

  /* 用于TCP服务器端。连接请求的缓冲队列。 */
  sys_mbox_t acceptmbox;
#endif /* LWIP_TCP */
#if LWIP_NETCONN_FULLDUPLEX /* 全功率 */

  /* mbox的读阻塞线程数。当线程在waiting时closing，需要解除所有线程的阻塞。 */
  int mbox_threads_waiting;
#endif
  union {
    int socket; /* socket */
    void *ptr;  /* 指针 */
  } callback_arg; /* 回调参数 */
#if LWIP_SO_SNDTIMEO /* 发送超时 */

  /* 等待发送数据超时值，单位ms。 */
  s32_t send_timeout;
#endif /* LWIP_SO_RCVTIMEO */
#if LWIP_SO_RCVTIMEO /* 接收超时 */

  /* 等待接收新数据的超时时间，单位ms。 */
  u32_t recv_timeout;
#endif /* LWIP_SO_RCVTIMEO */
#if LWIP_SO_RCVBUF /* 接收缓冲区 */

  /* 应用层的接收缓冲区size。限制recvmbox上所有数据的size。 */
  int recv_bufsize;

  /* recvmbox 当前接收到的数据size，用于FIONREAD。 */
  int recv_avail;
#endif /* LWIP_SO_RCVBUF */
#if LWIP_SO_LINGER /* SO_LINGER选项 */

  /*   0: 超时值。单位：秒。超时前尽量把发送缓冲区中的数据发送出去。 */
  s16_t linger;
#endif /* LWIP_SO_LINGER */

  /* 包含更多的netconn-internal状态。参考NETCONN_FLAG_x宏 */
  u8_t flags;
#if LWIP_TCP

  /* 当调用netconn_write()函数发送的数据不适合发送到缓冲区时，
      数据会暂时存储在current_msg中，等待数据合适的时候进行发送。 */
  struct api_msg *current_msg;
#endif /* LWIP_TCP */
  /* netconn相关的回调函数。socket API时使用。 */
  netconn_callback callback;
};

部分变量描述：

• type​：连接类型：TCP、UDP、RAW。
• state​：当前连接状态。
• pcb​：协议栈内核连接控制块：TCP控制块、UDP控制块等等。
• err​：记录当前连接上函数调用的执行结果。
• op_completed​：是上下两部分API实现同步的重要字段，netconn_xxx()​函数在投递完消息后，便会阻塞在连接的这个信号量上，当内核的do_xxx()​执行完成后便释放信号量。
• recvmbox​：该连接的数据接收邮箱，也是缓冲队列。内核接收到属于该连接的数据包（封装在netbuf中）投递到该邮箱。应用程序调用数据接收函数，就是从该队列中读取数据。
• recv_avail​：记录当前接收邮箱中已经缓冲好的数据总长度。
• acceptmbox​：该连接作为TCP服务器时使用到，内核会把所有新建立好的连接结构netconn​投递到该邮箱，服务器程序调用netconn_accept()​函数便会得到一个新的连接结构。
• mbox_threads_waiting​：表示读阻塞在当前连接的应用程序数量，在关闭连接时，需要往recvmbox​邮箱发送mbox_threads_waiting​个邮件来解除这些应用层的阻塞。

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NETCONN支持的协议类型

/** @ingroup netconn_common
 * 协议族和netconn类型。
 *
 */
enum netconn_type {
  NETCONN_INVALID     = 0, /* 无效类型 */
  /** TCP IPv4 */
  NETCONN_TCP         = 0x10,
#if LWIP_IPV6
  /** TCP IPv6 */
  NETCONN_TCP_IPV6    = NETCONN_TCP | NETCONN_TYPE_IPV6 /* 0x18 */,
#endif /* LWIP_IPV6 */
  /** UDP IPv4 */
  NETCONN_UDP         = 0x20,
  /** UDP IPv4 lite */
  NETCONN_UDPLITE     = 0x21,
  /** UDP IPv4 no checksum */
  NETCONN_UDPNOCHKSUM = 0x22,

#if LWIP_IPV6
  /** UDP IPv6 (dual-stack by default, unless you call @ref netconn_set_ipv6only) */
  NETCONN_UDP_IPV6         = NETCONN_UDP | NETCONN_TYPE_IPV6 /* 0x28 */,
  /** UDP IPv6 lite (dual-stack by default, unless you call @ref netconn_set_ipv6only) */
  NETCONN_UDPLITE_IPV6     = NETCONN_UDPLITE | NETCONN_TYPE_IPV6 /* 0x29 */,
  /** UDP IPv6 no checksum (dual-stack by default, unless you call @ref netconn_set_ipv6only) */
  NETCONN_UDPNOCHKSUM_IPV6 = NETCONN_UDPNOCHKSUM | NETCONN_TYPE_IPV6 /* 0x2a */,
#endif /* LWIP_IPV6 */

  /** Raw connection IPv4 */
  /* RAW ipv4 连接 */
  NETCONN_RAW         = 0x40
#if LWIP_IPV6
  /** Raw connection IPv6 (dual-stack by default, unless you call @ref netconn_set_ipv6only) */
  , NETCONN_RAW_IPV6    = NETCONN_RAW | NETCONN_TYPE_IPV6 /* 0x48 */
#endif /* LWIP_IPV6 */
};

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NETCONN状态

/* 当前netconn接口数据结构所处的状态。
    如当前netconn被netconn_write()接口调用，就处于WRITE状态。
    也可以理解为当前netconn被哪些netconn API占用 */
enum netconn_state {
  NETCONN_NONE,     /* 空闲状态 */
  NETCONN_WRITE,    /* 正在发送数据 */
  NETCONN_LISTEN,   /* 侦听状态 */
  NETCONN_CONNECT,  /* 连接状态 */
  NETCONN_CLOSE     /* 关闭状态 */
};

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NETCONN北向事件

上层收：按次数统计。NETCONN中有多少个可被上层接收。

上层发：按是否有无统计。NETCONN中是否可写。

/*
 * netconn_x()API 通知更上层（如socket）的事件。
 *
 * 事件说明：
 * 在netconn实现中，有三种方法来阻塞客户端:
 * - accept mbox：netconn_accept()函数中的sys_arch_mbox_fetch()
 * - receive mbox：netconn_recv_data()函数中的sys_arch_mbox_fetch()
 * - send queue if full：lwip_netconn_do_write()函数中的sys_arch_sem_wait()
 *
 * 这些事件都是给这些mboxes/semaphores标记状态的事件。
 * 对于非阻塞式的连接，我们可以通过这些事件，提前知道调用netconn API是否会阻塞。
 *
 * NETCONN_EVT_RCVPLUS: 加。mboxes/semaphores 对象，可安全调用相关netconn API不会被阻塞的次数+1。
 * 如在sockets中是按次计数：如accept mbox连续收到三个NETCONN_EVT_RCVPLUS事件，
 * 则可以连续三次调用netconn_accept()不会被阻塞。receive mbox也一样。
 *
 * NETCONN_EVT_RCVMINUS: 减。mboxes/semaphores 对象，可安全调用相关netconn API不会被阻塞的次数-1。
 * 一般在调用对应函数成功后，统计一次。
 *
 * 而对于TX，没有次数统计，只是一个标志。
 *
 * NETCONN_EVT_SENDPLUS: 表示调用netconn_send()发送数据不会阻塞。
 * 一般发生在发送缓冲区中的数据被ACK了，缓冲区空闲空间增加时会回调该事件到上层。
 *
 * NETCONN_EVT_SENDMINUS: 表示调用netconn_send()会阻塞。
 * 一般发生在协议栈内部PCB不可发送数据时会通过该事件通知上层，此时调用netconn_send()会阻塞，如发送缓冲区不足，内存不足等等。
 * 触发该事件后，内部PCB会在pcb->poll()函数会检查PCB是否可发送数据，如果可发，就会触发NETCONN_EVT_SENDPLUS事件通知上层。
 *
 */
enum netconn_evt {
  NETCONN_EVT_RCVPLUS,  /* 收到数据。可安全调用API不会被阻塞次数+1 */
  NETCONN_EVT_RCVMINUS, /* 可安全调用API不会被阻塞次数-1 */
  NETCONN_EVT_SENDPLUS, /* PCB可发送数据事件 */
  NETCONN_EVT_SENDMINUS,/* PCB不可发送事件 */
  NETCONN_EVT_ERROR     /* 错误事件 */
};

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NETBUF相关接口

前提实现可以自行看源码。

netbuf​操作接口：

/* Network buffer functions: */
struct netbuf *   netbuf_new      (void);
void              netbuf_delete   (struct netbuf *buf);
void *            netbuf_alloc    (struct netbuf *buf, u16_t size);
void              netbuf_free     (struct netbuf *buf);
err_t             netbuf_ref      (struct netbuf *buf,
                                   const void *dataptr, u16_t size);
void              netbuf_chain    (struct netbuf *head, struct netbuf *tail);

err_t             netbuf_data     (struct netbuf *buf,
                                   void **dataptr, u16_t *len);
s8_t              netbuf_next     (struct netbuf *buf);
void              netbuf_first    (struct netbuf *buf);

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内核回调接口

在学完TCP、UDP内核实现后，就知道我们需要往这些内核里注册回调函数，用于内核和上层交互。如tcp的tcp_recv()​就是往内核注册接收回调函数。

所以在实现NETCONN接口时，需要编写这些回调函数，并注册到内核中。

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注册NETCONN相关回调到内核

TCP：setup_tcp()​：

/**
 * 注册netconn tcp基础接口相关的回调到TCP层
 *
 */
static void
setup_tcp(struct netconn *conn)
{
  struct tcp_pcb *pcb;

  pcb = conn->pcb.tcp;
  tcp_arg(pcb, conn);    // PCB绑定NETCONN接口控制块
  tcp_recv(pcb, recv_tcp);    // 注册接收回调
  tcp_sent(pcb, sent_tcp);    // 注册发送回调
  tcp_poll(pcb, poll_tcp, NETCONN_TCP_POLL_INTERVAL);    // 注册poll
  tcp_err(pcb, err_tcp);    // 注册异常回调
}

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recv_tcp：TCP接收回调

recv_tcp()​是TCP netconn注册到tcp的tcp_pcb->recv()​接收回调函数。

TCP内核收到数据后会通过当前回调函数发送数据包到conn->recvmbox​，如果投递失败，则不能删除这些pbuf​，因为tcp_fasttmr()​会在后面再次通知我们上层接收。

这里发送失败但是不能删除这些pbuf​的原因：我们TCP已经ACK了这些数据，对端不会再发这些数据了的，所以我们不能完全删除，只能晚点上交给应用层。

和recv_udp()​略有区别，这里不封装netbuf​，在调用上层调用netconn_recv()​函数中再把pbuf​装成netbuf​。

这样做的目的是因为TCP数据包的封装、处理设计其它很多额外的操作，而当前函数却是一个回调函数，不适合多做业务及长时间占有。

static err_t
recv_tcp(void *arg, struct tcp_pcb *pcb, struct pbuf *p, err_t err)
{
  struct netconn *conn;
  u16_t len;
  void *msg;

  LWIP_UNUSED_ARG(pcb);
  LWIP_ASSERT("recv_tcp must have a pcb argument", pcb != NULL);
  LWIP_ASSERT("recv_tcp must have an argument", arg != NULL);
  LWIP_ASSERT("err != ERR_OK unhandled", err == ERR_OK);
  LWIP_UNUSED_ARG(err); /* for LWIP_NOASSERT */
  conn = (struct netconn *)arg;

  if (conn == NULL) {
    return ERR_VAL;
  }
  LWIP_ASSERT("recv_tcp: recv for wrong pcb!", conn->pcb.tcp == pcb);

  if (!NETCONN_MBOX_VALID(conn, &conn->recvmbox)) {
    /* recvmbox已经被删除了。如shutdown RX */
    if (p != NULL) {
      tcp_recved(pcb, p->tot_len); /* 把这些数据从TCP接收缓冲区中全部读走，并更新接收窗口 */
      pbuf_free(p); /* 然后释放这些pbuf */
    }
    return ERR_OK; /* 算是接收成功 */
  }

  /* 与UDP或RAW pcb不同，不要使用recv_avail检查可用空间，因为这可能会破坏连接。
    （这些数据都是已经被我们ACK了的） */

  if (p != NULL) { /* 有数据 */
    msg = p;
    len = p->tot_len;
  } else { /* 没数据也触发当前回调，说明TCP协议栈底层是想表示连接已断开 */
    msg = LWIP_CONST_CAST(void *, &netconn_closed);
    len = 0;
  }

  if (sys_mbox_trypost(&conn->recvmbox, msg) != ERR_OK) {
    /* 不要释放p:它稍后会从tcp_fasttmr再次给我们! */
    return ERR_MEM;
  } else {
#if LWIP_SO_RCVBUF
    SYS_ARCH_INC(conn->recv_avail, len);
#endif /* LWIP_SO_RCVBUF */
    /* 通知上层，有数据可读 */
    API_EVENT(conn, NETCONN_EVT_RCVPLUS, len);
  }

  return ERR_OK;
}

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sent_tcp：TCP发送回调

sent_tcp()​是TCP netconn注册到tcp的tcp_pcb->sent()​发送回调函数。

当TCP收到更多ACK，发送缓冲区可用空间增大了，就会调用当前回调函数。

主要是唤醒阻塞等待连接关闭或数据发送的应用程序线程。

检查和通知接口层（netconn、socket），有更多缓冲空间了，如果有数据，可以发过来。

static err_t
sent_tcp(void *arg, struct tcp_pcb *pcb, u16_t len)
{
  struct netconn *conn = (struct netconn *)arg;

  LWIP_UNUSED_ARG(pcb);
  LWIP_ASSERT("conn != NULL", (conn != NULL));

  if (conn) { /* 接口连接还存在 */
    if (conn->state == NETCONN_WRITE) { /* 接口层需要发送数据 */
      lwip_netconn_do_writemore(conn  WRITE_DELAYED); /* 把数据写入TCP发送缓冲区 */
    } else if (conn->state == NETCONN_CLOSE) {  /* 接口层已经关闭了当前连接 */
      lwip_netconn_do_close_internal(conn  WRITE_DELAYED);  /* TCP内部资源也关闭 */
    }

    /* 检查水位线：TCP发送缓冲区 可用空间size在水位线上 && 当前pbuf数量在水位线下
        即可通知上层，可往TCP发送缓冲区写入数据。 */
    if ((conn->pcb.tcp != NULL) && (tcp_sndbuf(conn->pcb.tcp) > TCP_SNDLOWAT) &&
        (tcp_sndqueuelen(conn->pcb.tcp) 

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poll_tcp：TCP poll函数

poll_tcp()​是TCP netconn注册到tcp的tcp_pcb->poll()​周期函数。

tcp_pcb->poll()​被TCP慢时钟tcp_slowtmr()​时钟调用。

NETCONN_TCP_POLL_INTERVAL==2​，表示每秒会轮询一次该函数。

主要是唤醒阻塞等待连接关闭或数据发送的应用程序线程。

解除应用程序线程阻塞的方式：发送信号量conn->sem。

如果关闭失败，netconn_close()等待conn->sem。

static err_t
poll_tcp(void *arg, struct tcp_pcb *pcb)
{
  struct netconn *conn = (struct netconn *)arg;

  LWIP_UNUSED_ARG(pcb);
  LWIP_ASSERT("conn != NULL", (conn != NULL));

  if (conn->state == NETCONN_WRITE) { /* 如果netconn处于正在发送数据状态，那tcp层就继续从netconn取数据发出去 */
    lwip_netconn_do_writemore(conn  WRITE_DELAYED);
  } else if (conn->state == NETCONN_CLOSE) { /* netconn已经close当前连接了，内部tcp层也要close */
#if !LWIP_SO_SNDTIMEO && !LWIP_SO_LINGER /* 没开socket发送超时 && 没开close()后残留数据超时 */
    if (conn->current_msg && conn->current_msg->msg.sd.polls_left) {
      conn->current_msg->msg.sd.polls_left--;
    }
#endif /* !LWIP_SO_SNDTIMEO && !LWIP_SO_LINGER */
    lwip_netconn_do_close_internal(conn  WRITE_DELAYED);
  }

  /* 之前是否有非阻塞的写操作失败？有就检查写缓冲区是否有可用空间 */
  if (conn->flags & NETCONN_FLAG_CHECK_WRITESPACE) { /* 之前存在非阻塞写入失败 */
    /* 检查发送缓冲区：缓冲区可用size是否足够 和 pbuf数量是否超限 */
    if ((conn->pcb.tcp != NULL) && (tcp_sndbuf(conn->pcb.tcp) > TCP_SNDLOWAT) &&
        (tcp_sndqueuelen(conn->pcb.tcp) 

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err_tcp：TCP 异常回调函数

poll_tcp()​是TCP netconn注册到tcp的tcp_pcb->errf()​异常回调函数。

TCP PCB出现错误时，会调用当前函数回调到接口层处理：

• 向netconn数据结构中的回调函数发送ERROR​、RCVPLUS​、SENDPLUS​事件；
• 向netconn数据结构中的所有邮箱recv_mboxes​、accept_mboxes​发送异常事件；

这种做法的目的就是唤醒因各种情况而阻塞的应用程序，告知当前连接发生错误，需要处理。

static void
err_tcp(void *arg, err_t err)
{
  struct netconn *conn;
  enum netconn_state old_state;
  void *mbox_msg;
  SYS_ARCH_DECL_PROTECT(lev);

  conn = (struct netconn *)arg;
  LWIP_ASSERT("conn != NULL", (conn != NULL));

  SYS_ARCH_PROTECT(lev); /* 系统保护：进入临界 */

  /* 发生错误，PCB就会被释放，所以可在接口层解除绑定 */
  conn->pcb.tcp = NULL;
  /* 保存错误码 */
  conn->pending_err = err;
  /* 防止应用程序线程在'recvmbox'/'acceptmbox'上阻塞 */
  conn->flags |= NETCONN_FLAG_MBOXCLOSED;

  /* 在唤醒其它线程前，重置当前状态 */
  old_state = conn->state;
  conn->state = NETCONN_NONE;

  SYS_ARCH_UNPROTECT(lev); /* 退出临界 */

  /* 通知socket层，当前连接异常。 */
  API_EVENT(conn, NETCONN_EVT_ERROR, 0);
  /* 给socket层一个可读、可写事件，可让应用层不会阻塞于读、写。 */
  API_EVENT(conn, NETCONN_EVT_RCVPLUS, 0);
  API_EVENT(conn, NETCONN_EVT_SENDPLUS, 0);

  mbox_msg = lwip_netconn_err_to_msg(err); /* err翻译成msg */
  /* 通过error message到recvmbox来唤醒阻塞于recv的应用层线程 */
  if (NETCONN_MBOX_VALID(conn, &conn->recvmbox)) {
    /* use trypost to prevent deadlock */
    /* 使用trypost，可以防止死锁 */
    sys_mbox_trypost(&conn->recvmbox, mbox_msg);
  }
  /* 通过error message到acceptmbox来唤醒阻塞于accept的应用层线程 */
  if (NETCONN_MBOX_VALID(conn, &conn->acceptmbox)) {
    /* 使用trypost，可以防止死锁 */
    sys_mbox_trypost(&conn->acceptmbox, mbox_msg);
  }

  if ((old_state == NETCONN_WRITE) || (old_state == NETCONN_CLOSE) ||
      (old_state == NETCONN_CONNECT)) { /* 处于非监听的所有有效态 */
    /* PCB已经被干掉了，所以没必要调用lwip_netconn_do_writemore()、lwip_netconn_do_close_internal()这些函数了 */
    int was_nonblocking_connect = IN_NONBLOCKING_CONNECT(conn); /* 获取当前netconn是否处于非阻塞连接 */
    SET_NONBLOCKING_CONNECT(conn, 0); /* 清除netconn中该标记 */

    if (!was_nonblocking_connect) { /* 不处于非阻塞连接状态 */
      sys_sem_t *op_completed_sem;
      /* set error return code */
      LWIP_ASSERT("conn->current_msg != NULL", conn->current_msg != NULL);
      if (old_state == NETCONN_CLOSE) {
        /* netconn处于close状态，则返回OK，表示close成功 */
        conn->current_msg->err = ERR_OK;
      } else {
        /* 如果处于写或连接状态，则返回对应ERR，表示当前连接异常。 */
        conn->current_msg->err = err;
      }
      /* 获取当前netconn的同步信号量 */
      op_completed_sem = LWIP_API_MSG_SEM(conn->current_msg);
      LWIP_ASSERT("invalid op_completed_sem", sys_sem_valid(op_completed_sem));
      conn->current_msg = NULL; /* 解绑netconn中的当前的同步信号量 */
      /* 唤醒阻塞与写或连接的应用程序线程 */
      sys_sem_signal(op_completed_sem);
    } else { /* 应用程序线程是非阻塞连接 */
      /* @todo: 测试非阻塞连接的错误情况 */
    }
  } else {
    /* netconn处于监听态或空闲态 */
    LWIP_ASSERT("conn->current_msg == NULL", conn->current_msg == NULL);
  }
}

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accept_function：TCP accept回调函数

accept_function()​是TCP netconn注册到tcp的lpcb->accept()​accept回调函数。

• 使用tcp_accept()​API注册。
• lpcb->accept()​，用于TCP服务器，监听类型的pcb。
• TCP层收到客户端连接，分配PCB，并握手成功后会调用当前回调。（tcp申请新的客户端PCB失败时也会回调）

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其他需要注册到协议栈内核的回调函数

recv_udp()​：

• udp的接收回调函数，该函数会被udp_recv()函数注册到UDP PCB中。在UDP收到数据时被调用，用于回调数据到上层。
• 是UDP收到的数据包pbuf，组装成一个上层数据包格式netbuf。
• 然后把这个netbuf投递到连接netconn->recvmbox接收邮箱中。
• 应用层可以通过调用API函数netconn_recv()从该邮箱中获取netbuf格式的数据包，然后提取出pbuf，再提取出UDP数据即可。

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‍

NETCONN接口线程安全实现（重要）

NETCONN接口线程安全原理

通过lwip内核实现的学习，我们知道，lwip内核实现是需要线程安全的。

目前有两种方式：

1. 开启LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING​内核安全锁功能，使用该锁来实现lwip内核的线程安全。
2. 如果没有开启内核安全锁，则可以把需要执行的lwip内核API通过API消息发送到LWIP内核线程去执行。

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netconn用户接口形式：netconn_xxx()​

netconn内核接口形式：lwip_netconn_xxx()​

用户调用netconn用户接口时，用户接口的目的就是把netconn的内核接口通过安全锁或api消息发送到wlip内核线程执行。

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NETCONN接口线程安全具体实现

netconn用户接口使用netconn_apimsg()​–>tcpip_send_msg_wait_sem()​来共同实现。

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netconn_apimsg()​：

• tcpip_callback_fn fn​：需要线程安全的netconn内核API。
• struct api_msg *apimsg​：API的指针形参（既然形参是指针，说明是双向参数）

static err_t
netconn_apimsg(tcpip_callback_fn fn, struct api_msg *apimsg)
{
  err_t err;

#ifdef LWIP_DEBUG
  /* 捕获不设置错误的函数 */
  apimsg->err = ERR_VAL;
#endif /* LWIP_DEBUG */

#if LWIP_NETCONN_SEM_PER_THREAD
  apimsg->op_completed_sem = LWIP_NETCONN_THREAD_SEM_GET(); /* 获取同步信号量 */
#endif /* LWIP_NETCONN_SEM_PER_THREAD */

  /* 把fn()搞到tcpip内核锁内执行 */
  err = tcpip_send_msg_wait_sem(fn, apimsg, LWIP_API_MSG_SEM(apimsg));
  if (err == ERR_OK) {
    return apimsg->err;
  }
  return err;
}

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tcpip_send_msg_wait_sem()​：

• tcpip_callback_fn fn​：需要线程安全的netconn内核API。
• void *apimsg​：API的指针形参。
• sys_sem_t *sem​：同步信号量。用于阻塞。
• 发送一个回调函数到TCPIP线程执行的步骤：构建tcpip_msg​，发送到tcpip_mbox​，由TCPIP内核线程监测、执行。
• 调用者线程阻塞在自己指定的同步信号量上，函数执行完毕后，由回调函数fn​释放该同步信号量来解除调用者线程阻塞。
• 建议：使用LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING​内核安全锁，因为这是运行时开销最小的方法。

err_t
tcpip_send_msg_wait_sem(tcpip_callback_fn fn, void *apimsg, sys_sem_t *sem)
{
#if LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING /* 开启了内核锁，直接在当前线程调用即可 */
  LWIP_UNUSED_ARG(sem);
  LOCK_TCPIP_CORE();  /* 内核锁上锁 */
  fn(apimsg); /* 执行回调 */
  UNLOCK_TCPIP_CORE();  /* 释放内核锁 */
  return ERR_OK;

#else /* LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING */ /* 没有开启内核锁，需要把回调函数外包到TCPIP内核线程 */

  TCPIP_MSG_VAR_DECLARE(msg); /* 定义一个tcpip_msg */

  LWIP_ASSERT("semaphore not initialized", sys_sem_valid(sem));
  LWIP_ASSERT("Invalid mbox", sys_mbox_valid_val(tcpip_mbox));

  TCPIP_MSG_VAR_ALLOC(msg); /* 开了MPU，这个就为NULL了 */
  TCPIP_MSG_VAR_REF(msg).type = TCPIP_MSG_API;  /* 无回传的API消息类型 */
  TCPIP_MSG_VAR_REF(msg).msg.api_msg.function = fn; /* API */
  TCPIP_MSG_VAR_REF(msg).msg.api_msg.msg = apimsg;  /* apimsg */
  sys_mbox_post(&tcpip_mbox, &TCPIP_MSG_VAR_REF(msg));  /* 往tcpip_mbox发送一个tcpip_msg */
  sys_arch_sem_wait(sem, 0);  /* 等待同步信号量被回调函数fn()释放 */
  TCPIP_MSG_VAR_FREE(msg);  /* 释放tcpip_msg */
  return ERR_OK;
#endif /* LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING */
}

‍

这个同步信号量，就是用于阻塞的，具体是：netconn接口控制块中的op_completed​信号量。

#define LWIP_API_MSG_SEM(msg)          (&(msg)->conn->op_completed)

‍

接口实现例子

通过一个API例子来实例化线程安全的使用。

用户调用netconn用户接口netconn_new()​，其实就是netconn_new_with_proto_and_callback()​：

#define netconn_new(t)                  netconn_new_with_proto_and_callback(t, 0, NULL)

而netconn_new_with_proto_and_callback()​源码实现如下：

• 主要内容就是申请api_msg​资源，把需要内核执行的netconn内核接口和该接口需要的数据打包到api_msg​。然后将该msg发送到lwip内核（或上锁）执行。如果是发送到lwip内核，则当前线程会等待同步信号量conn->op_completed​，如果内核执行了netconn内核接口，这个接口会释放该信号量，表示内核已经执行了对应API。

struct netconn *
netconn_new_with_proto_and_callback(enum netconn_type t, u8_t proto, netconn_callback callback)
{
  struct netconn *conn;
  API_MSG_VAR_DECLARE(msg); // 定义一个api_msg数据结构
  API_MSG_VAR_ALLOC_RETURN_NULL(msg); // 申请api_msg数据结构资源，指定错误时返回NULL

  conn = netconn_alloc(t, callback); // 申请netconn控制块资源
  if (conn != NULL) {
    err_t err;

    API_MSG_VAR_REF(msg).msg.n.proto = proto; // 把用户连接协议记录到api_msg中
    API_MSG_VAR_REF(msg).conn = conn; // 把netconn控制块记录到api_msg中
    // 把这个api_msg资源和lwip_netconn_do_newconn()函数封装好，在线程安全下跑（上锁或发送到lwip内核）
    err = netconn_apimsg(lwip_netconn_do_newconn, &API_MSG_VAR_REF(msg));
    if (err != ERR_OK) {
      LWIP_ASSERT("freeing conn without freeing pcb", conn->pcb.tcp == NULL);
      LWIP_ASSERT("conn has no recvmbox", sys_mbox_valid(&conn->recvmbox));
#if LWIP_TCP
      LWIP_ASSERT("conn->acceptmbox shouldn't exist", !sys_mbox_valid(&conn->acceptmbox));
#endif /* LWIP_TCP */
#if !LWIP_NETCONN_SEM_PER_THREAD
      LWIP_ASSERT("conn has no op_completed", sys_sem_valid(&conn->op_completed));
      sys_sem_free(&conn->op_completed);
#endif /* !LWIP_NETCONN_SEM_PER_THREAD */
      sys_mbox_free(&conn->recvmbox);
      memp_free(MEMP_NETCONN, conn);
      API_MSG_VAR_FREE(msg);
      return NULL;
    }
  }
  API_MSG_VAR_FREE(msg); // 释放api_msg资源
  return conn;
}

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lwip_netconn_do_newconn()​：

• 创建一个新的特定类型的PCB。
• 执行完毕，释放信号量，解除调用者线程阻塞。

void
lwip_netconn_do_newconn(void *m)
{
  struct api_msg *msg = (struct api_msg *)m;

  msg->err = ERR_OK;
  if (msg->conn->pcb.tcp == NULL) {
    pcb_new(msg); // 创建一个新的特定类型的PCB。
  }

  /* 释放信号量 */
  TCPIP_APIMSG_ACK(msg);
}

‍

NETCONN内核接口

参考./src/include/lwip/priv/api_msg.h

‍

netconn内核接口是在LWIP线程安全的下运行的，要么上lwip内核资源锁，要么发送到lwip内核线程去执行，这些操作俊友netconn用户接口去实现。

netconn内核接口主要封装各个协议栈的RAW接口实现，如果线程安全是发送到lwip内核实现，则需要在业务执行完毕后调用TCPIP_APIMSG_ACK(msg);​来解除调用者线程的阻塞。

‍

部分接口列表：

void lwip_netconn_do_newconn         (void *m);
void lwip_netconn_do_delconn         (void *m);
void lwip_netconn_do_bind            (void *m);
void lwip_netconn_do_bind_if         (void *m);
void lwip_netconn_do_connect         (void *m);
void lwip_netconn_do_disconnect      (void *m);
void lwip_netconn_do_listen          (void *m);
void lwip_netconn_do_send            (void *m);
void lwip_netconn_do_recv            (void *m);
#if TCP_LISTEN_BACKLOG
void lwip_netconn_do_accepted        (void *m);
#endif /* TCP_LISTEN_BACKLOG */
void lwip_netconn_do_write           (void *m);
void lwip_netconn_do_getaddr         (void *m);
void lwip_netconn_do_close           (void *m);
void lwip_netconn_do_shutdown        (void *m);
#if LWIP_IGMP || (LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_MLD)
void lwip_netconn_do_join_leave_group(void *m);
void lwip_netconn_do_join_leave_group_netif(void *m);
#endif /* LWIP_IGMP || (LWIP_IPV6 && LWIP_IPV6_MLD) */

#if LWIP_DNS
void lwip_netconn_do_gethostbyname(void *arg);
#endif /* LWIP_DNS */

NETCONN用户接口

netconn接口就不分析源码了，直接描述功能。

这些接口在./src/include/lwip/api.h​路径中。

‍

下面只列出部分API，这些API都有兄嘚API，可以查看上述路径。

‍

这些接口都是把netconn内核接口封装到api_msg​中，然后将其转发到lwip内核线程（或上锁）执行。

netconn_new()：新建一个netconn接口控制块

是一个宏，实际是netconn_new_with_proto_and_callback()​：

#define netconn_new(t)                  netconn_new_with_proto_and_callback(t, 0, NULL)

struct netconn *
netconn_new_with_proto_and_callback(enum netconn_type t, u8_t proto, netconn_callback callback)
{}

创建一个新的netconn，指定协议，指定回调函数。

协议类型查看netconn_type​。

回调函数查看netconn_callback:

/* 通知netconn事件的回调原型 */
typedef void (* netconn_callback)(struct netconn *, enum netconn_evt, u16_t len);

‍

netconn_delete()：删除一个netconn接口控制块

netconn_delete()​函数关闭一个netconn“连接”并释放它的资源。

UDP和RAW连接是完全关闭的，TCP pcb可能仍然在等待状态后返回。

‍

netconn_getaddr()：获取地址信息

获取netconn的local或remote的IP地址和端口号。

对于RAW类型的netconn，返回的不是端口号，而是协议。

‍

netconn_bind()：绑定本地IP&PORT

netconn绑定指定的local IP地址和端口号。

一个netconn连续两次绑定同一个IP（注意任意IP）和端口号，第二次会响应绑定失败。

‍

netconn_connect()：连接远端

netconn连接到指定的remote IP和端口号。

‍

netconn_disconnect()：断开连接

netconn断开当前连接（仅对UDP netconn有效）

‍

netconn_listen()：监听

设置一个TCP netconn进入监听模式，设置backlog数量上限。

#define netconn_listen(conn) netconn_listen_with_backlog(conn, TCP_DEFAULT_LISTEN_BACKLOG)

TCP_DEFAULT_LISTEN_BACKLOG​默认0xff。

‍

netconn_accept()：接受连接

accept()一个新的TCP客户端连接。

服务器调用该函数可以从conn->acceptmbox​邮箱中获取一个新的连接，如果邮箱为空，该函数会一直阻塞，直至有新的连接到来。

在调用次函数之前，先调用netconn_listen()​让服务器加入监听状态。

‍

netconn_recv()：接收数据

该函数是从conn->recvmbox​邮箱中等待数据消息：这些消息就是数据缓存队列：

• 对于UDP连接：回调函数recv_udp()​会先将接收到的UDP数据封装在netbuf​结构中，然后将数据消息投递到邮箱中。
• 对于TCP连接：投递到该邮箱中的数据依然是pbuf​封装的，在接收到数据包后，函数netconn_recv()​才将这些pbuf​封装成netbuf​。然后发送一个API消息lwip_netconn_do_recv()​到内核，告知TCP内核，本次已经从TCP缓存中接收了多少数据，让内核调用tcp_recved()​函数滑动接收窗口。

‍

netconn_sent()：UDP/RAW发送数据

通过过UDP或RAW网络(已经连接)发送数据。

大概内容就是从API消息中获取目的地址信息和数据报pbuf，然后调用udp_send()​或udp_sendto()​将数据放出去。

‍

‍

netconn_write()：TCP发送数据

用于在稳定的TCP连接中发送数据。

‍

netconn_close()：关闭连接

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