Chrome源码剖析【二】

【二】Chrome的进程间通信

1. Chrome进程通信的基本模式

进程间通信，叫做IPC（Inter-Process Communication），在Chrome不多的文档中，有一篇就是介绍这个的，在 这里。Chrome最主要有三类进程，一类是 Browser主进程，我们一直尊称它老人家为老大；还有一类是各个 Render进程，前面也提过了；另外还有一类一直没说过，是 Plugin进程，每一个插件，在Chrome中都是以进程的形式呈现，等到后面说插件的时候再提罢了。 Render进程和Plugin进程都与老大保持进程间的通信，Render进程与Plugin进程之间也有彼此联系的通路，唯独是多个Render进程或多个Plugin进程直接，没有互相联系的途径，全靠老大协调。。。

进程与进程间通信，需要仰仗操作系统的特性，能玩的花着实不多，在Chrome中，用到的就是 有名管道（Named Pipe），只不过，它用一个IPC::Channel类，封装了具体的实现细节。Channel可以有两种工作模式，一种是Client，一种是Server，Server和Client分属两个进程，维系一个共同的管道名，Server负责创建该管道，Client会尝试连接该管道，然后双发往各自管道缓冲区中读写数据（在Chrome中，用的是二进制流，异步IO...），完成通信。。。

管道名字的协商 在Socket中，我们会事先约定好通信的端口，如果不按照这个端口进行访问，走错了门，会被直接乱棍打出门去的。与之类似，有名管道期望在两个进程间游走，就需要拿一个两个进程都能接受的进门暗号，这个就是有名管道的名字。在Chrome中（windows下...），有名管道的名字格式都是：\\.\pipe\chrome.ID。其中的ID，自然是要求独一无二，比如：进程ID.实例地址.随机数。通常，这个ID是由一个Process生成（往往是Browser Process），然后在创建另一个进程的时候，作为命令行参数传进去，从而完成名字的协商。。。 如果不了解并期待了解有关Windows下有名管道和信号量的知识，建议去看一些专业的书籍，比如圣经级别的《Windows核心编程》和《深入解析Windows操作系统》，当然也可以去查看SDK，你需要了解的API可能包括：CreateNamedPipe, CreateFile, ConnectNamedPipe, WaitForMultipleObjects, WaitForSingleObject, SetEvent, 等等。。。

Channel中，有三个比较关键的角色，一个是 Message::Sender，一个是 Channel::Listener，最后一个是 MessageLoopForIO::Watcher。Channel本身派生自Sender和Watcher，身兼两角，而Listener是一个抽象类，具体由Channel的使用者来实现。顾名思义，Sender就是发送消息的接口，Listener就是处理接收到消息的具体实现，但这个Watcher是啥？如果你觉得Watcher这东西看上去很眼熟的话，我会激动的热泪盈眶的，没错，在前面（第一部分第一小节...）说消息循环的时候，从那个表中可以看到，IO线程（记住，在Chrome中，IO指的是网络IO，*_*）的循环会处理注册了的Watcher。其实Watcher很简单，可以视为一个信号量和一个带有OnObjectSignaled方法对象的对，当消息循环检测到信号量开启，它就会调用相应的OnObjectSignaled方法。。。

图5 Chrome的IPC处理流程图

一图解千语，如上图所示，整个Chrome最核心的IPC流程都在图上了，期间，刨去了一些错误处理等逻辑，如果想看原汁原味的，可以自查Channel类的实现。当有消息被Send到一个发送进程的Channel的时候，Channel会把它放在发送消息队列中，如果此时还正在发送以前的消息（发送端被阻塞...），则看一下阻塞是否解除（用一个等待0秒的信号量等待函数...），然后将消息队列中的内容序列化并写道管道中去。操作系统会维护异步模式下管道的这一组信号量，当消息从发送进程缓冲区写到接收进程的缓冲区后，会激活接收端的信号量。当接收进程的消息循环，循到了检查Watcher这一步，并发现有信号量激活了，就会调用该Watcher相应的OnObjectSignaled方法，通知接受进程的Channel，有消息来了！Channel会尝试从管道中收字节，组消息，并调用Listener来解析该消息。。。

从上面的描述不难看出，Chrome的进程通信，最核心的特点， 就是利用消息循环来检查信号量，而不是直接让管道阻塞在某信号量上。这样就与其多线程模型紧密联系在了一起，用一种统一的模式来解决问题。并且，由于是消息循环统一检查，线程不会随便就被阻塞了，可以更好的处理各种其他工作，从理论上讲，这是通过增加CPU工作时间，来换取更好的体验，颇有资本家的派头。。。

温柔的消息循环 其实，Chrome的很多消息循环，也不是都那么霸道，也是会被阻塞在某些信号量或者某种场景上的，毕竟客户端不是它家的服务器，CPU不能被全部归在它家名下。。。 比如IO线程，当没有消息来到，又没有信号量被激活的时候，就会被阻塞，具体实现可以去看MessagePumpForIO的WaitForWork方法。。。 不过这种阻塞是集中式的，可随时修改策略的，比起Channel直接阻塞在信号量上，停工的时间更短。。。

2. 进程间的跨线程通信和同步通信

在Chrome中，任何底层的数据都是线程非安全的，Channel不是太上老君（抑或中国足球？...），它也没有例外。在每一个进程中，只能有一个线程来负责操作Channel，这个线程叫做IO线程（名不符实真是一件悲凉的事情...）。其它线程要是企图越俎代庖，是会出大乱子的。。。

但是有时候（其实是大部分时候...），我们需要从非IO线程与别的进程相通信，这该如何是好？如果，你有看过我前面写的线程模型，你一定可以想到，做法很简单， 先将对Channel的操作放到Task中，将此Task放到IO线程队列里，让IO线程来处理即可。当然，由于这种事情发生的太频繁，每次都人肉做一次颇为繁琐，于是有一个代理类，叫做 ChannelProxy，来帮助你完成这一切。。。

从接口上看，ChannelProxy的接口和Channel没有大的区别（否则就不叫Proxy了...），你可以像用Channel一样，用ChannelProxy来Send你的消息，ChannelProxy会辛勤的帮你完成剩余的封装Task等工作。不仅如此，ChannelProxy还青出于蓝胜于蓝，在这个层面上做了更多的事情，比如： 发送同步消息。。。

不过能发送同步消息的类不是ChannelProxy，而是它的子类， SyncChannel。在Channel那里，所有的消息都是异步的（在Windows中，也叫Overlapped...），其本身也不支持同步逻辑。为了实现同步，SyncChannel并没有另造轮子，而只是在Channel的层面上加了一个等待操作。 当ChannelProxy的Send操作返回后，SyncChannel会把自己阻塞在一组信号量上，等待回包，直到永远或超时。从外表上看同步和异步没有什么区别，但在使用上还是要小心，在UI线程中使用同步消息，是容易被发指的。。。

3. Chrome中的IPC消息格式

说了半天，还有一个大头没有提过，那就是消息包。如果说，多线程模式下，对数据的访问开销来自于锁，那么在多进程模式下，大部分的额外开销都来自于进程间的消息拆装和传递。不论怎么样的模式，只要进程不同，消息的打包，序列化，反序列化，组包，都是不可避免的工作。。。

在Chrome中，IPC之间的通信消息，都是派生自 IPC::Message类的。对于消息而言，序列化和反序列化是必须要支持的，Message的基类 Pickle，就是干这个活的。Pickle提供了一组的接口，可以接受int，char，等等各种数据的输入，但是在Pickle内部，所有的一切都没有区别，都转化成了一坨 二进制流。 这个二进制流是32位齐位的，比如你只传了一个bool，也是最少占32位的，同时，Pickle的流是有自增逻辑的（就是说它会先开一个Buffer，如果满了的话，会加倍这个Buffer...），使其可以无限扩展。Pickle本身不维护任何二进制流逻辑上的信息，这个任务交到了上级处理（后面会有说到...），但Pickle会为二进制流添加一个头信息，这个里面会存放流的长度，Message在继承Pickle的时候，扩展了这个头的定义，完整的消息格式如下：

图6 Chrome的IPC消息格式

其中，黄色部分是包头，定长96个bit，绿色部分是包体，二进制流，由payload_size指明长度。从大小上看这个包是很精简的了，除了routing位在消息不为路由消息的时候会有所浪费。消息本身在有名管道中是按照二进制流进行传输的（有名管道可以传输两种类型的字符流，分别是二进制流和消息流...），因此由payload_size + 96bits，就可以确定是否收了一个完整的包。。。

从逻辑上来看，IPC消息分成两类，一类是路由消息（routed message），还有一类是控制消息（control message）。路由消息是私密的有目的地的，系统会依照路由信息将消息安全的传递到目的地，不容它人窥视；控制消息就是一个广播消息，谁想听等能够听得到。。。

消息的序列化 前不久读了Google Protocol Buffers的源码，是用在服务器端，用做内部机器通信协议的标准、代码生成工具和框架。它主要的思想是揉合了key/value的内容到二进制中，帮助生成更为灵活可靠的二进制协议。。。 在Chrome中，没有使用这套东西，而是用到了纯二进制流作为消息序列化的方式。我想这是由于应用场景不同使然。在服务端，我们更关心协议的稳定性，可扩展性，并且，涉及到的协议种类很多。但在一个Chrome中，消息的格式很统一，这方面没有扩展性和灵活性的需求，而在序列化上，虽然key/value的方式很好很强大，但是在Chrome中需要的不是灵活性而是精简性，因此宁可不用Protocol Buffers造好的轮子，而是另立炉灶，花了好一把力气提供了一套纯二进制的消息机制。。。

4. 定义IPC消息

如果你写过MFC程序，对MFC那里面一大堆宏有所忌惮的话，那么很不幸，在Chrome中的IPC消息定义中，你需要再吃一点苦头了，甚至，更苦大仇深一些；如果你曾经领教过用模板的特化偏特化做Traits、用模板做函数重载、用编译期的Tuple做变参数支持，之类机制的种种麻烦的话，那么，同样很遗憾，在Chrome中，你需要再感受一次。。。

不过，先让我们忘记宏和模板，看人肉一个消息，到底需要哪些操作。一个标准的IPC消息定义应该是类似于这样的：

class SomeMessage    
        : public IPC::Message
{
public:
        enum { ID = ...; }

        SomeMessage(SomeType & data)    
                : IPC::Message(MSG_ROUTING_CONTROL, ID, ToString(data))    
        {...}

        ...
};

大概意思是这样的，你需要从Message（或者其他子类）派生出一个子类，该子类有一个 独一无二的ID值，该子类接受一个参数，你需要 对这个参数进行序列化。两个麻烦的地方看的很清楚，如果生成独一无二的ID值？如何更方便的对任何参数可以自动的序列化？。。。

在Chrome中，解决这两个问题的答案，就是宏 + 模板。Chrome为每个消息安排了一种ID规格，用一个16bits的值来表示，高4位标识一个Channel，低12位标识一个消息的子id，也就是说，最多可以有16种Channel存在不同的进程之间，每一种Channel上可以定义4k的消息。目前，Chrome已经用掉了8种Channel（如果A、B进程需要双向通信，在Chrome中，这是两种不同的Channel，需要定义不同的消息，也就是说，一种双向的进程通信关系，需要耗费两个Channel种类...），他们已经觉得，16bits的ID格式不够用了，在将来的某一天，估计就被扩展成了32bits的。书归正传，Chrome是这么来定义消息ID的，用一个枚举类，让它从高到低往下走，就像这样：

enum SomeChannel_MsgType
{
        SomeChannelStart = 5 << 12,
        SomeChannelPreStart = (5 << 12) - 1,
        Msg1,
        Msg2,
        Msg3,
        ...
        MsgN,
        SomeChannelEnd
};

这是一个类型为5的Channel的消息ID声明，由于指明了最开始的两个值，所以后续枚举的值会依次递减，如此，只要维护Channel类型的唯一性，就可以维护所有消息ID的唯一性了（当然，前提是不能超过消息上限...）。但是，定义一个ID还不够，你还需要定义一个使用该消息ID的Message子类。这个步骤不但繁琐，最重要的，是违反了DIY原则，为了添加一个消息，你需要在两个地方开工干活，是可忍孰不可忍，于是Google祭出了宏这颗原子弹，需要定义消息，格式如下：

IPC_BEGIN_MESSAGES(PluginProcess, 3)
    
    IPC_MESSAGE_CONTROL2(PluginProcessMsg_CreateChannel,
                                             int /* process_id */,
                                             HANDLE /* renderer handle */)

    IPC_MESSAGE_CONTROL1(PluginProcessMsg_ShutdownResponse,
                                             bool /* ok to shutdown */)

    IPC_MESSAGE_CONTROL1(PluginProcessMsg_PluginMessage,
                                             std::vector<uint8> /* opaque data */)

    IPC_MESSAGE_CONTROL0(PluginProcessMsg_BrowserShutdown)

IPC_END_MESSAGES(PluginProcess)

这是Chrome中，定义PluginProcess消息的宏，我挖过来放在这了，如果你想添加一条消息，只需要添加一条类似与IPC_MESSAGE_CONTROL0东东即可，这说明它是一个控制消息，参数为0个。你基本上可以这样理解，IPC_BEGIN_MESSAGES就相当于完成了一个枚举开始的声明，然后中间的每一条，都会在枚举里面增加一个ID，并声明一个子类。这个一宏两吃，直逼北京烤鸭两吃的高超做法，可以参看ipc_message_macros.h，或者看下面一宏两吃的一个举例。。。

多次展开宏的技巧 这是Chrome中用到的一个技巧，定义一次宏，展开多段代码，我孤陋寡闻，第一次见，一个类似的例子，如下： 首先，定义一个macro.h，里面放置宏的定义： #undef SUPER_MACRO #if defined(FIRST_TIME) #undef FIRST_TIME #define SUPER_MACRO(label, type) \ enum IDs { \ label##__ID = 10 \ }; #elif defined(SECOND_TIME) #undef SECOND_TIME #define SUPER_MACRO(label, type) \ class TestClass \ { \ public: \ enum {ID = label##__ID}; \ TestClass(type value) : _value(value) {} \ type _value; \ }; #endif 可以看到，这个头文件是可重入的，每一次先undef掉之前的定义，然后判断进行新的定义。然后，你可以创建一个use_macro.h文件，利用这个宏，定义具体内容： #include "macros.h" SUPER_MACRO(Test, int) 这个头文件在利用宏的部分不需要放到ifundef...define...这样的头文件保护中，目的就是为了可重入。在主函数中，你可以多次define + include，实现多次展开的目的： #define FIRST_TIME #include "use_macro.h" #define SECOND_TIME #include "use_macro.h" #include <iostream> int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { TestClass t(5); std::cout << TestClass::ID << std::endl; std::cout << t._value << std::endl; return 0; } 这样，你就成功的实现，一次定义，生成多段代码了。。。

此外，当接收到消息后，你还需要处理消息。接收消息的函数，是IPC::Channel::Listener子类的OnMessageReceived函数。在这个函数中，会放置一坨的宏，这一套宏，一定能让你想起MFC的Message Map机制：

IPC_BEGIN_MESSAGE_MAP_EX(RenderProcessHost, msg, msg_is_ok)
            IPC_MESSAGE_HANDLER(ViewHostMsg_PageContents, OnPageContents)
            IPC_MESSAGE_HANDLER(ViewHostMsg_UpdatedCacheStats,
                                                    OnUpdatedCacheStats)
            IPC_MESSAGE_UNHANDLED_ERROR()
        IPC_END_MESSAGE_MAP_EX()

这个东西很简单，展开后基本可以视为一个Switch循环，判断消息ID，然后将消息，传递给对应的函数。与MFC的Message Map比起来，做的事情少多了。。。

通过宏的手段，可以解决消息类声明和消息的分发问题，但是自动的序列化还不能支持（所谓自动的序列化，就是不论你是什么类型的参数，几个参数，都可以直接序列化，不需要另写代码...）。在C++这种语言中，所谓自动的序列化，自动的类型识别，自动的XXX，往往都是通过模板来实现的。这些所谓的自动化，其实就是通过事前的大量人肉劳作，和模板自动递推来实现的，如果说.Net或Java中的自动序列化是过山轨道，这就是那挑夫的骄子，虽然最后都是两腿不动到了山顶，这底下费得力气真是天壤之别啊。具体实现技巧，有兴趣的看看《STL源码剖析》，或者是《C++新思维》，或者Chrome中的ipc_message_utils.h，这要说清楚实在不是一两句的事情。。。

总之通过宏和模板，你可以很简单的声明一个消息，这个消息可以传入各式各样的参数（这里用到了夸张的修辞手法，其实，只要是模板实现的自动化，永远都是有限制的，在Chrome的模板实现中，参数数量不要超过5个，类型需要是基本类型、STL容器等，在不BT的场合，应该够用了...），你可以调用Channel、ChannelProxy、SyncChannel之类的Send方法，将消息发送给其他进程，并且，实现一个Listener类，用Message Map来分发消息给对应的处理函数。如此，整个IPC体系搭建完成。。。

苦力的宏和模板 不论是宏还是模板，为了实现这套机制，都需要写大量的类似代码，比如为了支持0~N个参数的Control消息，你就需要写N+1个类似的宏；为了支持各种基础数据结构的序列化，你就需要写上十来个类似的Write函数和Traits。。。 之所以做如此苦力的活，都是为了用这些东西的人能够尽可能的简单方便，符合DIY原则。规约到之前说的设计者的职责上来，这是一个典型的苦了我一个幸福千万人的负责任的行为。在Chrome中，如此的代码随处可见，光Tuple那一套拳法，我现在就看到了使了不下三次（我曾经做过一套，直接吐血...），如此兢兢业业，真是可歌可泣啊。。。