Mach原语：一切以消息为媒介

写在前面

相信做iOS开发或者Mac开发的同学或多或少都听过或者使用过Mach端口（Mach port），笔者也是在了解runloop机制的时候，决定系统的学习一下Mach port相关的知识。以下内容实际上是从《深入解析Mac OS X & iOS操作系统》这本书中挑出来的一些精华并将其归纳成了要点。如果大家在阅读的时候有不懂得地方，建议去读原著。如果不想翻阅那本大部头的书籍，只想了解要点，也可以访问我的博客。下面就开始Mach消息的旅程。

1. Mach概述

1.1 Mach设计原则

• 在Mach中所有东西（Task、线程、虚拟内存等））都是对象。
• 对象与对象之间通信只能通过端口收发消息。

1.2 Mach设计目标

内核为了保持极简，只做如下的事情：

• “控制点”或执行单元的管理。
• 线程或线程组（Task）的资源分配。
• 虚拟内存的分配和管理。
• 底层物理资源--即CPU、内存和任何物理设备的分配。

2. Mach消息

2.1 简单消息

最基本的包含两部分：消息头、消息体。可以选择性的添加消息尾。结构如下：

typedef struct 
{
  mach_msg_bits_t   msgh_bits;//标志位
  mach_msg_size_t   msgh_size;//大小
  mach_port_t       msgh_remote_port;//目标端口（发送：接受方，接收：发送方）
  mach_port_t       msgh_local_port; //源端口（发送：发送方，接收：接收方）
  mach_port_name_t  msgh_voucher_port;
  mach_msg_id_t     msgh_id;
} mach_msg_header_t; //消息头

typedef struct
{
        mach_msg_size_t msgh_descriptor_count;
} mach_msg_body_t;//消息体

typedef struct
{
        mach_msg_header_t       header;
        mach_msg_body_t         body;
} mach_msg_base_t; //基本消息

typedef unsigned int mach_msg_trailer_type_t;//消息尾的类型

typedef struct 
{
  mach_msg_trailer_type_t   msgh_trailer_type;
  mach_msg_trailer_size_t   msgh_trailer_size;
} mach_msg_trailer_t; //消息尾

2.2 复杂消息

将消息头的标志位mach_msg_bits_t设置为MACH_MSGH_BITS_COMPLEX，就表示复杂消息。此时消息体里面指定了描述符的个数，接下来就是一个接着一个的描述符：

typedef struct
{
  uint64_t          address;//数据的大小
  boolean_t             deallocate: 8;//发送之后是否接触分配
  mach_msg_copy_options_t       copy: 8;//复制指令
  unsigned int          pad1: 8;
  mach_msg_descriptor_type_t    type: 8;
  mach_msg_size_t           size;//数据的大小
} mach_msg_ool_descriptor64_t;

2.3 消息收发

消息的收发在用户态都是通过如下方法进行的：

extern mach_msg_return_t    mach_msg(
                    mach_msg_header_t *msg,
                    mach_msg_option_t option,//可以设置为收消息还是发消息等类型
                    mach_msg_size_t send_size,
                    mach_msg_size_t rcv_size,
                    mach_port_name_t rcv_name,
                    mach_msg_timeout_t timeout,
                    mach_port_name_t notify);                   

2.4 端口

端口实际上就是一个整型的标识符，是如下结构（在osfmk/ipc/ipc_port.h中定义）的一个句柄：

struct ipc_port {

    /*
     * Initial sub-structure in common with ipc_pset
     * First element is an ipc_object second is a
     * message queue
     */
    struct ipc_object ip_object;
    struct ipc_mqueue ip_messages;

    natural_t ip_sprequests:1,  /* send-possible requests outstanding */
          ip_spimportant:1, /* ... at least one is importance donating */
          ip_impdonation:1, /* port supports importance donation */
          ip_tempowner:1,   /* dont give donations to current receiver */
          ip_guarded:1,         /* port guarded (use context value as guard) */
          ip_strict_guard:1,    /* Strict guarding; Prevents user manipulation of context values directly */
          ip_reserved:2,
          ip_impcount:24;   /* number of importance donations in nested queue */

    union {
        struct ipc_space *receiver;
        struct ipc_port *destination;
        ipc_port_timestamp_t timestamp;
    } data;

    union {
        ipc_kobject_t kobject;
        ipc_importance_task_t imp_task;
        uintptr_t alias;
    } kdata;
        
    struct ipc_port *ip_nsrequest;
    struct ipc_port *ip_pdrequest;
    struct ipc_port_request *ip_requests;
    struct ipc_kmsg *ip_premsg;

    mach_vm_address_t ip_context;

    mach_port_mscount_t ip_mscount;
    mach_port_rights_t ip_srights;
    mach_port_rights_t ip_sorights;

#if MACH_ASSERT
#define IP_NSPARES      4
#define IP_CALLSTACK_MAX    16
/*  queue_chain_t   ip_port_links;*//* all allocated ports */
    thread_t    ip_thread;  /* who made me?  thread context */
    unsigned long   ip_timetrack;   /* give an idea of "when" created */
    uintptr_t   ip_callstack[IP_CALLSTACK_MAX]; /* stack trace */
    unsigned long   ip_spares[IP_NSPARES]; /* for debugging */
#endif  /* MACH_ASSERT */
} __attribute__((__packed__));

2.5 Mach接口生成器（MIG）

Mach消息传递模型是远程调用（Remote Procedure Call，RPC）的一种现实(类似Thrift)。在/usr/include/mach目录下可以看到一些.defs文件，这些文件包含了Mach子系统（一组操作）的定义。操作类型如下：

IG_opt.png

3. 深入IPC

• Mach的每个Task都包含一个指针，这个指针指向一个IPC命名空间，这个IPC命名空间了包含了Task的端口，当然Task还可以获取系统范围的端口，例如：主机端口、特权端口（可以重启机器等）等。
• 在用户态下，消息传递都是通过mach_msg()函数实现的，这个函数会触发一个mach陷阱mach_msg_trap()，接下来mach_msg_trap()又会调用mach_msg_overwrite_trap()，它会通过MACH_SEND_MSG和MACH_RCV_MSG来判断是发送操作，还是接收操作。
• 期中内核态中还可以通过mach_msg_receive()和mach_msg_send()来收发数据。

4. 同步原语

4.1 锁的实现方式

• 阻塞：如果锁对象被其他线程所持有，那么请求访问的线程就会被加入到等待队列中，因而被阻塞。这就意味着被阻塞的线程放弃了时间片，调度器会将CPU让给下一个执行的的线程。当锁可用的时候，调度器会得到通知，然后根据情况将线程从等待队列取出来，并重新调度。
• 忙等：线程不放弃CPU时间片，而是继续重复的尝试访问所对，直到锁可用。
• 阻塞与忙等的对比：当锁只持续短短几个周期的时候，阻塞会带来性能问题，因为至少会消耗两次上下文切换的时间。因此如果锁的持续时间短，应该采用忙等形式的锁对象，反之就采用阻塞形式的锁对象。

4.2 互斥体(lck_mtx_t)（阻塞）

• 互斥体其实就是一个内核中的一个不同的变量，通常是机器字节大小的整数，但是必须要求硬件能对这些变量进行原子操作。
• 原子的意思就是：对互斥体的操作不能打断，即使是硬件中断也不能打断。

4.3 信号量(semaphore_t)（阻塞）

信号量在初始化的时候可以设置一个大于零的初始值。信号量包含两个操作：一个是+1操作，一个是-1操作，当值大于0表示锁可用，当值小于等于0的时候表示锁不可用。互斥体可以看做是初始值为1的信号量。

4.4 自旋锁(hw_lock_t)（忙等）

一种采用忙等形式的锁。

4.5 读写锁(hw_lock_t)（阻塞）

当多个线程对资源只做只读的操作，这种情况下这些线程并不会相互影响。为了提高效率，读写锁就应运而生了。读写锁能够区分是读访问还是写访问，对个读者可以同时持有锁，但一次只能一个写者持有锁。

4.6 锁集(lock_set_t)

锁集就是锁的一个数组。

5. 机器原语

5.1 主机对象（Host）

主机就是一组“特殊”端口的集合，以及一组异常处理程序的集合，同时定义了一个锁用于保护异常处理的并发访问。结构如下：

struct  host {
    decl_lck_mtx_data(,lock)        /* lock to protect exceptions */
    ipc_port_t special[HOST_MAX_SPECIAL_PORT + 1];
    struct exception_action exc_actions[EXC_TYPES_COUNT];
};

5.2 时钟对象（Clock）

Mach内核提供了一个简单的“时钟”对象（在osfmk/kern/clock.h中定义）的抽象，这个对象用于计时和闹铃，期中最重要的内部API是clock_deadline_for_periodic_event（），调度器通过它设置了一个重复发生的通知--从而保证了多任务引擎的运转。

5.3 处理器对象（Processer）

在多核架构中每一个核心都可以看做是一个CPU，处理器被分配给处理器集，处理器是CPU的简单抽象，被Mach用于一些基本的操作，比如：启动和关闭一个CPU，向CPU分发要执行的线程。结构的定义（在osfmk/kern/processor.h）如下：

struct processor {
    queue_chain_t       processor_queue;/* idle/active queue link,
                                         * MUST remain the first element */
    int                 state;          /* See below */
    boolean_t       is_SMT;
    boolean_t       is_recommended;
    struct thread
                        *active_thread, /* thread running on processor */
                        *next_thread,   /* next thread when dispatched */
                        *idle_thread;   /* this processor's idle thread. */

    processor_set_t     processor_set;  /* assigned set */

    int                 current_pri;    /* priority of current thread */
    sched_mode_t        current_thmode; /* sched mode of current thread */
    sfi_class_id_t      current_sfi_class;  /* SFI class of current thread */
    int                 cpu_id;         /* platform numeric id */

    timer_call_data_t   quantum_timer;  /* timer for quantum expiration */
    uint64_t            quantum_end;    /* time when current quantum ends */
    uint64_t            last_dispatch;  /* time of last dispatch */

    uint64_t            deadline;       /* current deadline */
    boolean_t               first_timeslice;                /* has the quantum expired since context switch */

#if defined(CONFIG_SCHED_TRADITIONAL) || defined(CONFIG_SCHED_MULTIQ)
    struct run_queue    runq;           /* runq for this processor */
#endif

#if defined(CONFIG_SCHED_TRADITIONAL)
    int                 runq_bound_count; /* # of threads bound to this processor */
#endif
#if defined(CONFIG_SCHED_GRRR)
    struct grrr_run_queue   grrr_runq;      /* Group Ratio Round-Robin runq */
#endif

    processor_t         processor_primary;  /* pointer to primary processor for
                                             * secondary SMT processors, or a pointer
                                             * to ourselves for primaries or non-SMT */
    processor_t     processor_secondary;
    struct ipc_port *   processor_self; /* port for operations */

    processor_t         processor_list; /* all existing processors */
    processor_data_t    processor_data; /* per-processor data */
};

其中最重要的是runq，这是分发到这个处理器的线程队列。

5.3 处理器集

处理器集就是一个或多个processor_t的分组，也被称为pset。pset通常维护三个队列：

• active_queue：用于保存当前正在执行线程的CPU。
• idle_queue：用于保存当前空闲的CPU（例如：正在执行idle_thread）。
• pset_runq：保存了在这个集合中的所有CPU上执行的线程。

processor_set的定义如下：

struct processor_set {
    queue_head_t        active_queue;   /* active processors */
    queue_head_t        idle_queue;     /* idle processors */
    queue_head_t        idle_secondary_queue;       /* idle secondary processors */

    int                 online_processor_count;

    int                 cpu_set_low, cpu_set_hi;
    int                 cpu_set_count;

#if __SMP__
    decl_simple_lock_data(,sched_lock)  /* lock for above */
#endif

#if defined(CONFIG_SCHED_TRADITIONAL) || defined(CONFIG_SCHED_MULTIQ)
    struct run_queue    pset_runq;      /* runq for this processor set */
#endif

#if defined(CONFIG_SCHED_TRADITIONAL)
    int                 pset_runq_bound_count;
        /* # of threads in runq bound to any processor in pset */
#endif

    /* CPUs that have been sent an unacknowledged remote AST for scheduling purposes */
    uint64_t            pending_AST_cpu_mask;
#if defined(CONFIG_SCHED_DEFERRED_AST)
    /*
     * A seperate mask, for ASTs that we may be able to cancel.  This is dependent on
     * some level of support for requesting an AST on a processor, and then quashing
     * that request later.
     *
     * The purpose of this field (and the associated codepaths) is to infer when we
     * no longer need a processor that is DISPATCHING to come up, and to prevent it
     * from coming out of IDLE if possible.  This should serve to decrease the number
     * of spurious ASTs in the system, and let processors spend longer periods in
     * IDLE.
     */
    uint64_t            pending_deferred_AST_cpu_mask;
#endif

    struct ipc_port *   pset_self;      /* port for operations */
    struct ipc_port *   pset_name_self; /* port for information */

    processor_set_t     pset_list;      /* chain of associated psets */
    pset_node_t         node;
};

最后

以上只是介绍了Mach消息的一些原语，如需更详细的了解Mach消息的一些应用可以去阅读《深入解析Mac OS X & iOS操作系统》这本书，或者留意本人接下来得要点总结也可以直接访问我的博客。

---