Socket 接收队列

[导读]Socket接收队列是内核中为每个Socket维护的一个缓冲区，用于临时存储接收到的UDP数据包。它的存在使得应用程序可以异步地处理网络数据，同时提供了流量控制的能力（通过丢弃队满时的数据包）。理解接收队列的工作原理对于开发高性能网络应用至关重要，特别是在高负载情况下如何避免丢包。

1. 整体流程概览

当一台计算机通过以太网接收一个UDP数据包时，会经历以下步骤：

1.物理层：处理电信号或光信号，将其转换为数字信号（比特流）。

2.数据链路层：将比特流组装成帧（Frame），进行CRC校验，检查MAC地址。

3.网络层：解析IP数据包，检查目的IP地址是否为本机IP，如果是则传递给传输层。

4.传输层：解析UDP头部，获取目的端口，根据端口找到对应的Socket，并将数据放入该Socket的接收队列。

5.应用层：应用程序通过Socket API（如`recvfrom`）从接收队列中读取数据。

2. 接收队列的原理

接收队列的位置：接收队列位于操作系统内核中，每个Socket都有一个独立的接收队列（对于UDP Socket）。

接收队列的作用：当数据包到达的速度快于应用程序处理的速度时，接收队列可以暂时存储数据包，避免丢包；内核网络协议栈处理数据包与应用程序读取数据包是异步的，接收队列作为两者之间的缓冲区。

接收队列的工作流程：网卡通过DMA（直接内存访问）将数据包写入内核预先分配好的内存区域（称为环形缓冲区，ring buffer）；网卡触发硬中断，CPU执行中断处理程序，将数据包从网卡缓冲区转移到内核协议栈的输入队列（input queue）；为了避免频繁中断导致CPU过载，现代网卡使用NAPI（New API）机制，在高速网络环境下，采用轮询（poll）方式处理多个数据包；在软中断（如NET_RX_SOFTIRQ）中，内核从输入队列中取出数据包，进行网络层（IP）和传输层（UDP）的处理；检查UDP数据包的目的端口，找到对应的Socket。将数据包（包括UDP头部和负载数据）放入该Socket的接收队列。如果接收队列已满，则丢弃新到的数据包（UDP本身不保证可靠传输）；如果应用程序因为等待数据而阻塞（例如调用了阻塞的`recvfrom`），则内核会将其唤醒。如果应用程序使用I/O多路复用（如epoll）或非阻塞I/O，则通过相应机制通知应用程序。