鸿蒙内核源码分析(进程通讯篇) | 九种进程间通讯方式速揽 | 百篇博客分析HarmonyOS源码 | v28.03

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进程间为何要通讯 ?

鸿蒙内核默认支持 64个进程和128个任务,由进程池和任务池统一管理.内核设计尽量不去打扰它们,让各自过好各自的日子, 但大家毕竟在一口锅里吃饭, 不可能不与外界联系, 联系就得有渠道,有规矩.

举两个应用场景说明下通讯的必要性:

一.被动式 广为熟知的shell命令 kill 9 13 ,是通过 shell任务给 13号进程发送一个干掉它的信号.

#define SIGKILL   9		//常用的命令 kill 9 13 

这是被动式通讯的场景,至于为什么要干掉你,原因可能很多啊,很可能是检测到13占用内存太多了,也可能13太低调长期不活跃,启动新进程发现没位置了,得先收了你.总之系统必须得有对付你的抓手,可以随时登门查水电表.

二.主动式的 ,比如要访问某些公共资源(全局变量,消息队列),而资源有限或具有排他性,别人正在使用导致你不能用, 所以需统一管理,要用就必须要先申请,按规矩办事,毕竟和谐社会没规矩不成方圆.如果申请失败了就需要排队了,同时还要让出CPU给别人占用了,否则占着茅坑不办事这样对大家都不好撒.

大致有以下几种通讯需求:

(1).数据传输： 一个进程需要将它的数据发送给另一个进程，发送的数据量在一个字节到KB字节之间.(liteipc消息队列默认1K)

(2).共享数据: 多个进程想要操作共享数据，一个进程对共享数据的修改，别的进程应该立刻看到。

(3).通知事件： 一个进程需要向另一个或一组进程发送消息，通知它（它们）发生了某种事件（如进程终止时要通知父进程）。

(4).资源共享： 多个进程之间共享同样的资源。为了做到这一点，需要内核提供锁和同步机制。

(5).进程控制： 有些进程希望完全控制另一个进程的执行（如Debug进程），此时控制进程希望能够拦截另一个进程的所有陷入和异常，并能够及时知道它的状态改变。

内核目录和系列篇更新

内核有个专门的IPC目录,详见如下. 可直接点击查看注解源码.

进程间九种通讯方式

1.管道pipe(fs_syscall.c)

管道是一种最基本的IPC机制，作用于有血缘关系的进程之间，完成数据传递。
调用pipe系统函数即可创建一个管道。有如下特质：

1. 其本质是一个伪文件(实为内核缓冲区)

2. 由两个文件描述符引用，一个表示读端，一个表示写端。

3. 规定数据从管道的写端流入管道，从读端流出。

管道的原理: 管道实为内核使用环形队列机制，借助内核缓冲区(4k)实现。
管道的局限性：
① 数据自己读不能自己写。
② 数据一旦被读走，便不在管道中存在，不可反复读取。
③ 由于管道采用半双工通信方式。因此，数据只能在一个方向上流动。
④ 只能在有公共祖先的进程间使用管道。
常见的通信方式有，单工通信、半双工通信、全双工通信。

这部分后系列篇文件相关篇中会重点讲,敬请关注. 详细看 SysPipe 函数.

2.信号(los_signal.c)

信号思想来自Unix,在发展了50年之后,许多方面都没有发生太大的变化.信号可以由内核产生,也可以由用户进程产生,并由内核传送给特定的进程或线程(组),若这个进程注册/安装了自己的信号处理程序,则内核会调用这个函数去处理信号,否则则执行默认的函数或者忽略.信号分为两大类：可靠信号与不可靠信号，前32种信号为不可靠信号，后32种为可靠信号。长这样:

#define SIGHUP    1	//终端挂起或者控制进程终止
#define SIGINT    2	//键盘中断（如break键被按下）
#define SIGQUIT   3	//键盘的退出键被按下
#define SIGILL    4	//非法指令
#define SIGTRAP   5	//跟踪陷阱（trace trap），启动进程，跟踪代码的执行
#define SIGABRT   6	//由abort(3)发出的退出指令
#define SIGIOT    SIGABRT 
#define SIGBUS    7	//总线错误 
#define SIGFPE    8	//浮点异常
#define SIGKILL   9		//常用的命令 kill 9 13 
#define SIGUSR1   10	//用户自定义信号1 

信号为系统提供了一种进程间异步通讯的方式,一个进程不必通过任何操作来等待信号的到达。事实上，进程也不可能知道信号到底什么时候到达。一般来说，只需用户进程提供信号处理函数，内核会想方设法调用信号处理函数,处理过程如图所示:

个人把这种异步通讯过程理解为生产者(安装和发送信号)和消费者(捕捉和处理信号)两个部分,分姊妹两篇已完成

• v48.xx (信号生产篇) | 如何安装和发送信号? < csdn | 51cto | harmony >

• v49.xx (信号消费篇) | 用户栈到内核栈的两次切换 < csdn | 51cto | harmony >

3.消息队列(los_queue.c)

基本概念

队列又称消息队列，是一种常用于任务间通信的数据结构。队列接收来自任务或中断的
不固定长度消息，并根据不同的接口确定传递的消息是否存放在队列空间中。

任务能够从队列里面读取消息，当队列中的消息为空时，挂起读取任务；当队列中有新消息时，
挂起的读取任务被唤醒并处理新消息。任务也能够往队列里写入消息，当队列已经写满消息时，
挂起写入任务；当队列中有空闲消息节点时，挂起的写入任务被唤醒并写入消息。如果将
读队列和写队列的超时时间设置为0，则不会挂起任务，接口会直接返回，这就是非阻塞模式。

消息队列提供了异步处理机制，允许将一个消息放入队列，但不立即处理。同时队列还有缓冲消息的作用。

队列特性

消息以先进先出的方式排队，支持异步读写。
读队列和写队列都支持超时机制。
每读取一条消息，就会将该消息节点设置为空闲。
发送消息类型由通信双方约定，可以允许不同长度（不超过队列的消息节点大小）的消息。
一个任务能够从任意一个消息队列接收和发送消息。
多个任务能够从同一个消息队列接收和发送消息。
创建队列时所需的队列空间，默认支持接口内系统自行动态申请内存的方式，同时也支持将用户分配的队列空间作为接口入参传入的方式。

详细可前往查看:

• v33.xx (消息队列篇) | 进程间如何异步解耦传递大数据 ? < csdn | 51cto | harmony >

4.共享内存(shm.c)

共享内存是进程间通信中最简单的方式之一。共享内存允许两个或更多进程访问同一块物理内存,每个进程都要单独对这块物理内存进行映射.当一个进程改变了这块地址中的内容的时候，该物理页框将被标记为脏页,如此其它进程都会知道内容发生了更改。

这部分后系列篇内存相关篇中会重点讲,内存部分虽已写过几篇,但是没讲透,要重新再梳理.

5.信号量(los_sem.c)

基本概念

信号量（Semaphore）是一种实现任务间通信的机制，可以实现任务间同步或共享资源的互斥访问。
一个信号量的数据结构中，通常有一个计数值，用于对有效资源数的计数，表示剩下的可被使用的共享资源数。

对信号量有个形象的比喻 停车场的停车位, 进停车场前看下屏幕上实时显示剩余车位,0表示不能进,只有大于0才能进入,进入后自动减1,出口处也加了监测,出去后剩余车位增加1个.

使用场景

在多任务系统中，信号量是一种非常灵活的同步方式，可以运用在多种场合中，实现锁、同步、资源计数等功能，
也能方便的用于任务与任务，中断与任务的同步中。常用于协助一组相互竞争的任务访问共享资源。

详细可前往查看:

• v29.xx (信号量篇) | 信号量解决任务同步问题 < csdn | 51cto | harmony >

6.互斥锁 (los_mux.c) :

基本概念

互斥锁又称互斥型信号量，是一种特殊的二值性信号量，用于实现对临界资源的独占式处理。
另外，互斥锁可以解决信号量存在的优先级翻转问题。
任意时刻互斥锁只有两种状态，开锁或闭锁。当任务持有时，这个任务获得该互斥锁的所有权，
互斥锁处于闭锁状态。当该任务释放锁后，任务失去该互斥锁的所有权，互斥锁处于开锁状态。
当一个任务持有互斥锁时，其他任务不能再对该互斥锁进行开锁或持有。

详细可前往查看:

• v27.xx (互斥锁篇) | 互斥锁比自旋锁可丰满许多 < csdn | 51cto | harmony >

• v26.xx (自旋锁篇) | 真的好想为自旋锁立贞节牌坊! < csdn | 51cto | harmony >

7.快锁 (los_futex.c)

futex 是Fast Userspace muTexes的缩写(快速用户空间互斥体),是一种用户态和内核态混合的同步机制。首先，同步的进程间通过mmap共享一段内存，futex变量就位于这段共享的内存中且操作是原子的，当进程尝试进入互斥区或者退出互斥区的时候，先去查看共享内存中的futex变量，如果没有竞争发生，则只修改futex,而不用再执行系统调用了。当通过访问futex变量告诉进程有竞争发生，则还是得执行系统调用去完成相应的处理(wait 或者 wake up)。

注解版同步到官方最新源码后,发现快锁的部分改动很大,这部分要重新注解,敬请留意.

8.事件 (los_event.c)

基本概念
事件（Event）是一种任务间通信的机制，可用于任务间的同步。

多任务环境下，任务之间往往需要同步操作，一个等待即是一个同步。事件可以提供一对多、多对多的同步操作。
一对多同步模型：一个任务等待多个事件的触发。可以是任意一个事件发生时唤醒任务处理事件，也可以是几个事件都发生后才唤醒任务处理事件。
多对多同步模型：多个任务等待多个事件的触发。

事件特点

任务通过创建事件控制块来触发事件或等待事件。
事件间相互独立，内部实现为一个32位无符号整型，每一位标识一种事件类型。第25位不可用，因此最多可支持31种事件类型。
事件仅用于任务间的同步，不提供数据传输功能。
多次向事件控制块写入同一事件类型，在被清零前等效于只写入一次。
多个任务可以对同一事件进行读写操作。
支持事件读写超时机制。

事件可应用于多种任务同步场景，在某些同步场景下可替代信号量。

使用场景

队列用于任务间通信，可以实现消息的异步处理。同时消息的发送方和接收方不需要彼此联系，两者间是解耦的。

详细可前往查看:

• v30.xx (事件控制篇) | 任务间多对多的同步方案 < csdn | 51cto | harmony >

9.文件消息队列 (hm_liteipc.c)

基于文件实现的消息队列,特点是队列中消息数量多(256个),传递消息内容大(可到1K)

#define IPC_MSG_DATA_SZ_MAX 1024	//最大的消息内容 1K ,posix最大消息内容 64个字节
#define IPC_MSG_OBJECT_NUM_MAX 256	//最大的消息数量256 ,posix最大消息数量 16个

文件消息队列隐约感觉鸿蒙的分布式通讯,跨屏之类的功能是靠它实现的,分布式的代码还没研究,尚不清楚,如果有了解的请告知.后续要重点研究下跨应用通讯的技术实现.

鸿蒙源码百篇博客 往期回顾

• 在给 鸿蒙内核源码加中文注释 过程中,整理出以下文章.内容立足源码,常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景,具有画面感.百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念,那没什么意思.更希望让内核变得栩栩如生,倍感亲切.确实有难度,自不量力,但已经出发,回头已是不可能的了.

• 写文章比写代码累多了,越深入研究,越觉得没写好,所以文章和注解会反复修正, .xx代表修改的次数, 将持续完善源码注解和文档内容，精雕细琢，言简意赅, 尽全力打磨精品内容.

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