LwIP源码分析(2)：tcpip_init和tcpip_thread函数分析

tilblackout

已于 2022-12-10 21:56:56 修改

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分类专栏： LwIP 文章标签：网络

于 2022-12-10 14:46:54 首次发布

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本文详细介绍了LwIP与FreeRTOS集成的过程，重点分析了tcpip_init函数的内部实现，包括LwIP内核的初始化、消息队列的创建及tcpip_thread的任务流程。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

环境：FreeRTOS & LwIP 2.2.0
文章中的所有参数检测的断言代码都删除以使代码更清晰

LwIP通过调用tcpip_init来初始化TCPIP协议栈，函数如下所示，函数中代码的含义见注释：

static tcpip_init_done_fn tcpip_init_done;
static void *tcpip_init_done_arg;
static sys_mbox_t tcpip_mbox;
sys_mutex_t lock_tcpip_core;

void tcpip_init(tcpip_init_done_fn initfunc, void *arg)
{
	/* 初始化LwIP */
	lwip_init();
	/* 初始化完毕后调用的回调函数,可传NULL,在tcpip_thread开头调用 */
	tcpip_init_done = initfunc;
	tcpip_init_done_arg = arg;
	/* 创建message box,实际上是FreeRTOS的Queue
	 * 每个项目大小为一个指针的大小(4B),队列长度为TCPIP_MBOX_SIZE */
	if (sys_mbox_new(&tcpip_mbox, TCPIP_MBOX_SIZE) != ERR_OK) {
		LWIP_ASSERT("failed to create tcpip_thread mbox", 0);
	}
	#if LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING
	/* 创建互斥锁:用户可以通过这个锁在代码中实现LwIP的一些操作,而不需要在tcpip_thread的callback中实现 */
	if (sys_mutex_new(&lock_tcpip_core) != ERR_OK) {
		LWIP_ASSERT("failed to create lock_tcpip_core", 0);
	}
	#endif /* LWIP_TCPIP_CORE_LOCKING */
	/* 创建FreeRTOS任务tcpip_thread */
	sys_thread_new(TCPIP_THREAD_NAME, tcpip_thread, NULL, TCPIP_THREAD_STACKSIZE, TCPIP_THREAD_PRIO);
}

其中lwip_init函数内容如下(各个初始化需要打开相应的宏定义，这里略去#ifdef...#endif的宏定义以方便阅读代码)：

void lwip_init(void)
{
	 /* 统计模块初始化,这里只是初始化lwip_stats.mem.name为MEM */
	 stats_init();
	 /* 带操作系统时的初始化:函数中暂时没有内容 */
	 sys_init();
	 /* 初始化内存堆的起始地址、结束地址以及空闲列表 */
	 mem_init();
	 /* 初始化LwIP内存池 */
	 memp_init();
	 /* 初始化pbuf:函数中暂时没有内容 */
	 pbuf_init();
	 /* 初始化netif:主要是环回的ip,网关,子网掩码以及netif的添加和配置 */
	 netif_init();
	 /* 兼容老版本:函数中暂时没有内容 */
	 ip_init();
	 /* 兼容老版本:函数中暂时没有内容 */
	 etharp_init();
	 /* 兼容老版本:函数中暂时没有内容 */
	 raw_init();
	 /* 初始化UDP端口号(随机分配),范围:0xc000~0xffff */
	 udp_init();
	 /* 初始化TCP端口号(随机分配),范围:0xc000~0xffff */
	 tcp_init();
	 /* 初始化组播IP */
	 igmp_init();
	 /* 初始化DNS解析:设置UDP PCB并配置默认服务器 */
	 dns_init();
	 /* 初始化PPP:根据配置分配相关的结构体内存和初始化魔术字(PPP连接需要用到) */
	 ppp_init();
	 /* 初始化软件定时器 */
	 sys_timeouts_init();
}

最后，可以看到tcpip_init最终调用sys_thread_new创建了一个tcpip_thread任务，看看它做了什么：

static void tcpip_thread(void *arg)
{
	struct tcpip_msg *msg;
	/* 上锁 */
	LOCK_TCPIP_CORE();
	/* 调用前面设置的回调函数 */
	if (tcpip_init_done != NULL) {
		tcpip_init_done(tcpip_init_done_arg);
	}
	
	while (1) {
		/* wait for a message, timeouts are processed while waiting */
		TCPIP_MBOX_FETCH(&tcpip_mbox, (void **)&msg);
		if (msg == NULL) {
			LWIP_DEBUGF(TCPIP_DEBUG, ("tcpip_thread: invalid message: NULL\n"));
			LWIP_ASSERT("tcpip_thread: invalid message", 0);
			continue;
		}
		tcpip_thread_handle_msg(msg);
	}
}

可见，最后是调用TCPIP_MBOX_FETCH来等待消息，这个函数中还有定时器的检查，具体解释参考：LwIP源码分析(1)：软件定时器。

static void
tcpip_timeouts_mbox_fetch(sys_mbox_t *mbox, void **msg)
{
  u32_t sleeptime, res;

again:
  LWIP_ASSERT_CORE_LOCKED();

  sleeptime = sys_timeouts_sleeptime();
  if (sleeptime == SYS_TIMEOUTS_SLEEPTIME_INFINITE) {
    UNLOCK_TCPIP_CORE();
    sys_arch_mbox_fetch(mbox, msg, 0);
    LOCK_TCPIP_CORE();
    return;
  } else if (sleeptime == 0) {
    sys_check_timeouts();
    /* We try again to fetch a message from the mbox. */
    goto again;
  }
  UNLOCK_TCPIP_CORE();
  res = sys_arch_mbox_fetch(mbox, msg, sleeptime);
  LOCK_TCPIP_CORE();
  if (res == SYS_ARCH_TIMEOUT) {
    /* If a SYS_ARCH_TIMEOUT value is returned, a timeout occurred
       before a message could be fetched. */
    sys_check_timeouts();
    /* We try again to fetch a message from the mbox. */
    goto again;
  }
}

对于这边的互斥锁，tcpip_thread一上来就调用LOCK_TCPIP_CORE上锁，在TCPIP_MBOX_FETCH中等待消息队列阻塞时释放这个锁，等待完这个队列，无论有没有消息到来，sys_arch_mbox_fetch返回后就立即上锁，因为在此期间tcpip_thread已经阻塞死等，此时用户可以调用部分LwIP内核函数。

对于消息处理函数tcpip_thread_handle_msg(msg)相关的结构体和实现需要在了解TCP/IP原理之后进行分析，这样知道在哪里在何时会往这个mbox发送消息，我们才能知道每个消息的定义，不同的消息需要执行什么操作。后续循序渐进地分析完LwIP相关代码后，我会写一个博客来分析，这里暂不讨论。