iOS 问答02-iOS 系统框架及进程间通信

问题

开始正文前：先抛出几个问题，带着疑问阅读下面的文章，应该会更有收获。

1. iOS 系统架构可以分为几层？
2. Darwin 层又可以分为几部分？能否简单介绍下各部分？
3. IPC 是什么？，有哪些常见 IPC？iOS 中一般采用什么方式进行 IPC？能否举一些 IPC 的例子出来？
4. 能否介绍一下宏内核、微内核、混合内核以及各自的优劣？

1 iOS 系统架构

上一次问答在说到 iOS 事件响应流程时，提到了 iOS 系统框架中的 IOKit 和 SpringBoard。今天就深入展开介绍一下 iOS 的系统框架。

iOS 系统可以分为四层，从下往上介绍：

1. 第一层是 Darwin 层，是操作系统的核心，属于操作系统的内核态，包括了系统内核 XNU，驱动等，是开源的，可在 opensource.apple.com 找到。
2. 第二层是核心框架层，包括 Metal、OpenGL 等。
3. 第三层是应用框架层，比如 Cocoa Touch 框架。
4. 第四层是用户体验层，包括用户能接触到的图形应用，如 SpringBoard（桌面系统，统一管理和分发系统接收到的触摸事件）、Spotlight。

iOS 系统架构-摘自戴铭博客

上面提到 Darwin 层属于操作系统的内核态，而其余的三层，核心框架层、应用框架层、用户体验层属于用户态。

Darwin 的内核是 XNU，全称 'XNU’s Not UNIX'。下面会着重介绍一下 XNU。如上图所示，XNU 主要由以下三项组成：

1. Mach
2. BSD
3. IOKit

Darwin 层架构

2 Mach

2-1 Mach 基本介绍

Mach 是 XNU 内核的内环，属于微内核，只提供了处理器调度、进程间通信（IPC）、内存保护、虚拟内存管理、进程和线程的抽象等功能。

2-2 IPC

Mach 的核心功能是 IPC（Inter-Process Communication）。在 Mach 中，所有东西都是属于对象范畴的，比如进程、线程、虚拟内存。对象间是不能直接相互调用的，必须通过消息传递的方式实现，消息会在两个端口之间传递，也就是基于 mach port。当处于用户态的核心框架层、应用框架层、用户体验层需要进行系统调用的时候，会调用 mach_msg_trap() 触发陷阱机制，切换到内核态，内核态中实现 mach_msg() 函数完成最后的工作。具体过程如下：

摘自YY大神博客

RunLoop 的核心就用到了 mach_msg()，当没有接收到 port 消息时，内核会将线程置为等待状态，节省资源。

在 iOS 屏幕渲染过程，同样会利用到 IPC。

在 Xcode 中运行 App 时，点击调试栏中的暂停按钮，也可以看到主线程调用栈停留在 mach_msg_trap()。

4.png

在 iOS 中，剪贴板（Pasteboard）同样属于进程间通信方式的范畴。

(IPC 参考链接)[https://nshipster.com/inter-process-communication/]

3 BSD

Mach 本身提供的 API 有限，额外功能需要 BSD 来实现，BSD 可以看做围绕 Mach 层的一个外环，提供了更高层次的抽象，提供了进程管理、文件系统、网络诸多功能。属于宏内核。

4 IOKit

IOKit 是硬件驱动程序的运行环境，包括电源、内存、CPU 等信息。为设备驱动提供了一个面向对象（C++）的框架。

这里再简单讲一下 Darwin 层 IOKit、用户体验层中的 SpringBoard 在触摸事件中起到的作用：

1. 用户触摸屏幕，屏幕硬件将事件通过 mach port 发送给 IOKit
2. IOKit 将触摸事件封装成 IOHIDEvent 对象，通过 mach port （进程端口通信）传递给 用户体验层的 SpringBoard
3. SpringBoard 会判断，如果在桌面，则交由系统进程去消耗
4. 如果是在应用中发生，将触摸事件通过 IPC 传递给对应应用（source1），source1 唤醒 RunLoop，将事件分发给 source0，_UIApplicationHandleEventQueue 将 IOHIDEvent 包装成 UIEvent 向下分发

5 Mach、BSD 和微内核、宏内核、混合内核

前面的内容提到 Mach 属于微内核，BSD 属于宏内核，那这样安排的用意是什么呢？这里简单解释一下。

在微内核中，用户服务和内核服务是在不同的地址空间实现的。因此在用户态如果要进行系统调用的话，需要通过消息传递的方式进行通信，随之带来的缺点是消息传递会造成执行速度变慢。

优点：

1. 健壮性：用户服务和内核服务是相互独立的，用户服务的崩溃不会影响到内核服务。
2. 扩展性强：添加新的功能，只需要建立一个新的服务到用户空间即可，内核空间不需要做出修改。
3. 占用内存小：内核是常驻内存当中，因为内核服务只有一些最基本的功能，所占内存空间小。

而在宏内核中，用户服务和内核是在同一空间中实现的。因此不需要经过消息传递，执行速度比微服务快。但是微内核所拥有的优点，则变成了宏内核的劣势。

既然微内核和宏内核，各自有优点，那何不把两个结合一下，各取所长呢。这就是混合内核了。大致做法是，混合内核会把一些不经常使用的内核模块从内核中移出，从而降低了内核的复杂程度。

XNU 采用的就是微内核 Mach 和宏内核 BSD 的混合内核。