進(jìn)程間為何要通訊 ?

鴻蒙內(nèi)核默認(rèn)支持 64個(gè)進(jìn)程和128個(gè)任務(wù),由進(jìn)程池和任務(wù)池統(tǒng)一管理.內(nèi)核設(shè)計(jì)盡量不去打擾它們,讓各自過(guò)好各自的日子, 但大家畢竟在一口鍋里吃飯, 不可能不與外界聯(lián)系, 聯(lián)系就得有渠道,有規(guī)矩.

舉兩個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景說(shuō)明下通訊的必要性:

一.被動(dòng)式廣為熟知的shell命令 kill 9 13 ,是通過(guò) shell任務(wù)給 13號(hào)進(jìn)程發(fā)送一個(gè)干掉它的信號(hào).

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

這是被動(dòng)式通訊的場(chǎng)景,至于為什么要干掉你,原因可能很多啊,很可能是檢測(cè)到13占用內(nèi)存太多了,也可能13太低調(diào)長(zhǎng)期不活躍,啟動(dòng)新進(jìn)程發(fā)現(xiàn)沒(méi)位置了,得先收了你.總之系統(tǒng)必須得有對(duì)付你的抓手,可以隨時(shí)登門查水電表.

二.主動(dòng)式的,比如要訪問(wèn)某些公共資源(全局變量,消息隊(duì)列),而資源有限或具有排他性,別人正在使用導(dǎo)致你不能用, 所以需統(tǒng)一管理,要用就必須要先申請(qǐng),按規(guī)矩辦事,畢竟和諧社會(huì)沒(méi)規(guī)矩不成方圓.如果申請(qǐng)失敗了就需要排隊(duì)了,同時(shí)還要讓出CPU給別人占用了,否則占著茅坑不辦事這樣對(duì)大家都不好撒.

大致有以下幾種通訊需求:

(1).數(shù)據(jù)傳輸：一個(gè)進(jìn)程需要將它的數(shù)據(jù)發(fā)送給另一個(gè)進(jìn)程，發(fā)送的數(shù)據(jù)量在一個(gè)字節(jié)到KB字節(jié)之間.(liteipc消息隊(duì)列默認(rèn)1K)

(2).共享數(shù)據(jù):多個(gè)進(jìn)程想要操作共享數(shù)據(jù)，一個(gè)進(jìn)程對(duì)共享數(shù)據(jù)的修改，別的進(jìn)程應(yīng)該立刻看到。

(3).通知事件：一個(gè)進(jìn)程需要向另一個(gè)或一組進(jìn)程發(fā)送消息，通知它（它們）發(fā)生了某種事件（如進(jìn)程終止時(shí)要通知父進(jìn)程）。

(4).資源共享：多個(gè)進(jìn)程之間共享同樣的資源。為了做到這一點(diǎn)，需要內(nèi)核提供鎖和同步機(jī)制。

(5).進(jìn)程控制：有些進(jìn)程希望完全控制另一個(gè)進(jìn)程的執(zhí)行（如Debug進(jìn)程），此時(shí)控制進(jìn)程希望能夠攔截另一個(gè)進(jìn)程的所有陷入和異常，并能夠及時(shí)知道它的狀態(tài)改變。

內(nèi)核目錄和系列篇更新

內(nèi)核有個(gè)專門的IPC目錄,詳見(jiàn)如下. 可直接點(diǎn)擊查看注解源碼.

進(jìn)程間九種通訊方式

1.管道pipe(fs_syscall.c)

管道是一種最基本的IPC機(jī)制，作用于有血緣關(guān)系的進(jìn)程之間，完成數(shù)據(jù)傳遞。 調(diào)用pipe系統(tǒng)函數(shù)即可創(chuàng)建一個(gè)管道。有如下特質(zhì)：

其本質(zhì)是一個(gè)偽文件(實(shí)為內(nèi)核緩沖區(qū))

由兩個(gè)文件描述符引用，一個(gè)表示讀端，一個(gè)表示寫(xiě)端。

規(guī)定數(shù)據(jù)從管道的寫(xiě)端流入管道，從讀端流出。

管道的原理: 管道實(shí)為內(nèi)核使用環(huán)形隊(duì)列機(jī)制，借助內(nèi)核緩沖區(qū)(4k)實(shí)現(xiàn)。 管道的局限性： ① 數(shù)據(jù)自己讀不能自己寫(xiě)。 ② 數(shù)據(jù)一旦被讀走，便不在管道中存在，不可反復(fù)讀取。 ③ 由于管道采用半雙工通信方式。因此，數(shù)據(jù)只能在一個(gè)方向上流動(dòng)。 ④ 只能在有公共祖先的進(jìn)程間使用管道。 常見(jiàn)的通信方式有，單工通信、半雙工通信、全雙工通信。

這部分后系列篇文件相關(guān)篇中會(huì)重點(diǎn)講,敬請(qǐng)關(guān)注. 詳細(xì)看SysPipe函數(shù).

2.信號(hào)(los_signal.c)

信號(hào)思想來(lái)自Unix,在發(fā)展了50年之后,許多方面都沒(méi)有發(fā)生太大的變化.信號(hào)可以由內(nèi)核產(chǎn)生,也可以由用戶進(jìn)程產(chǎn)生,并由內(nèi)核傳送給特定的進(jìn)程或線程(組),若這個(gè)進(jìn)程注冊(cè)/安裝了自己的信號(hào)處理程序,則內(nèi)核會(huì)調(diào)用這個(gè)函數(shù)去處理信號(hào),否則則執(zhí)行默認(rèn)的函數(shù)或者忽略.信號(hào)分為兩大類：可靠信號(hào)與不可靠信號(hào)，前32種信號(hào)為不可靠信號(hào)，后32種為可靠信號(hào)。長(zhǎng)這樣:

#define SIGHUP    1	//終端掛起或者控制進(jìn)程終止
#define SIGINT    2	//鍵盤(pán)中斷（如break鍵被按下）
#define SIGQUIT   3	//鍵盤(pán)的退出鍵被按下
#define SIGILL    4	//非法指令
#define SIGTRAP   5	//跟蹤陷阱（trace trap），啟動(dòng)進(jìn)程，跟蹤代碼的執(zhí)行
#define SIGABRT   6	//由abort(3)發(fā)出的退出指令
#define SIGIOT    SIGABRT 
#define SIGBUS    7	//總線錯(cuò)誤 
#define SIGFPE    8	//浮點(diǎn)異常
#define SIGKILL   9		//常用的命令 kill 9 13 
#define SIGUSR1   10	//用戶自定義信號(hào)1 

信號(hào)為系統(tǒng)提供了一種進(jìn)程間異步通訊的方式,一個(gè)進(jìn)程不必通過(guò)任何操作來(lái)等待信號(hào)的到達(dá)。事實(shí)上，進(jìn)程也不可能知道信號(hào)到底什么時(shí)候到達(dá)。一般來(lái)說(shuō)，只需用戶進(jìn)程提供信號(hào)處理函數(shù)，內(nèi)核會(huì)想方設(shè)法調(diào)用信號(hào)處理函數(shù),處理過(guò)程如圖所示:

個(gè)人把這種異步通訊過(guò)程理解為生產(chǎn)者(安裝和發(fā)送信號(hào))和消費(fèi)者(捕捉和處理信號(hào))兩個(gè)部分,分姊妹兩篇已完成

v48.xx (信號(hào)生產(chǎn)篇) | 如何安裝和發(fā)送信號(hào)?

v49.xx (信號(hào)消費(fèi)篇) | 用戶棧到內(nèi)核棧的兩次切換

3.消息隊(duì)列(los_queue.c)

基本概念

隊(duì)列又稱消息隊(duì)列，是一種常用于任務(wù)間通信的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。隊(duì)列接收來(lái)自任務(wù)或中斷的 不固定長(zhǎng)度消息，并根據(jù)不同的接口確定傳遞的消息是否存放在隊(duì)列空間中。

任務(wù)能夠從隊(duì)列里面讀取消息，當(dāng)隊(duì)列中的消息為空時(shí)，掛起讀取任務(wù)；當(dāng)隊(duì)列中有新消息時(shí)， 掛起的讀取任務(wù)被喚醒并處理新消息。任務(wù)也能夠往隊(duì)列里寫(xiě)入消息，當(dāng)隊(duì)列已經(jīng)寫(xiě)滿消息時(shí)， 掛起寫(xiě)入任務(wù)；當(dāng)隊(duì)列中有空閑消息節(jié)點(diǎn)時(shí)，掛起的寫(xiě)入任務(wù)被喚醒并寫(xiě)入消息。如果將 讀隊(duì)列和寫(xiě)隊(duì)列的超時(shí)時(shí)間設(shè)置為0，則不會(huì)掛起任務(wù)，接口會(huì)直接返回，這就是非阻塞模式。

消息隊(duì)列提供了異步處理機(jī)制，允許將一個(gè)消息放入隊(duì)列，但不立即處理。同時(shí)隊(duì)列還有緩沖消息的作用。

隊(duì)列特性

消息以先進(jìn)先出的方式排隊(duì)，支持異步讀寫(xiě)。 讀隊(duì)列和寫(xiě)隊(duì)列都支持超時(shí)機(jī)制。 每讀取一條消息，就會(huì)將該消息節(jié)點(diǎn)設(shè)置為空閑。 發(fā)送消息類型由通信雙方約定，可以允許不同長(zhǎng)度（不超過(guò)隊(duì)列的消息節(jié)點(diǎn)大小）的消息。 一個(gè)任務(wù)能夠從任意一個(gè)消息隊(duì)列接收和發(fā)送消息。 多個(gè)任務(wù)能夠從同一個(gè)消息隊(duì)列接收和發(fā)送消息。 創(chuàng)建隊(duì)列時(shí)所需的隊(duì)列空間，默認(rèn)支持接口內(nèi)系統(tǒng)自行動(dòng)態(tài)申請(qǐng)內(nèi)存的方式，同時(shí)也支持將用戶分配的隊(duì)列空間作為接口入?yún)魅氲姆绞健?/p>

詳細(xì)可前往查看:

v33.xx (消息隊(duì)列篇) | 進(jìn)程間如何異步解耦傳遞大數(shù)據(jù) ?

4.共享內(nèi)存(shm.c)

共享內(nèi)存是進(jìn)程間通信中最簡(jiǎn)單的方式之一。共享內(nèi)存允許兩個(gè)或更多進(jìn)程訪問(wèn)同一塊物理內(nèi)存,每個(gè)進(jìn)程都要單獨(dú)對(duì)這塊物理內(nèi)存進(jìn)行映射.當(dāng)一個(gè)進(jìn)程改變了這塊地址中的內(nèi)容的時(shí)候，該物理頁(yè)框?qū)⒈粯?biāo)記為臟頁(yè),如此其它進(jìn)程都會(huì)知道內(nèi)容發(fā)生了更改。

這部分后系列篇內(nèi)存相關(guān)篇中會(huì)重點(diǎn)講,內(nèi)存部分雖已寫(xiě)過(guò)幾篇,但是沒(méi)講透,要重新再梳理.

5.信號(hào)量(los_sem.c)

基本概念

信號(hào)量（Semaphore）是一種實(shí)現(xiàn)任務(wù)間通信的機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)間同步或共享資源的互斥訪問(wèn)。 一個(gè)信號(hào)量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，通常有一個(gè)計(jì)數(shù)值，用于對(duì)有效資源數(shù)的計(jì)數(shù)，表示剩下的可被使用的共享資源數(shù)。

對(duì)信號(hào)量有個(gè)形象的比喻 停車場(chǎng)的停車位, 進(jìn)停車場(chǎng)前看下屏幕上實(shí)時(shí)顯示剩余車位,0表示不能進(jìn),只有大于0才能進(jìn)入,進(jìn)入后自動(dòng)減1,出口處也加了監(jiān)測(cè),出去后剩余車位增加1個(gè).

使用場(chǎng)景

在多任務(wù)系統(tǒng)中，信號(hào)量是一種非常靈活的同步方式，可以運(yùn)用在多種場(chǎng)合中，實(shí)現(xiàn)鎖、同步、資源計(jì)數(shù)等功能， 也能方便的用于任務(wù)與任務(wù)，中斷與任務(wù)的同步中。常用于協(xié)助一組相互競(jìng)爭(zhēng)的任務(wù)訪問(wèn)共享資源。

詳細(xì)可前往查看:

v29.xx (信號(hào)量篇) | 信號(hào)量解決任務(wù)同步問(wèn)題

6.互斥鎖 (los_mux.c) :

基本概念

互斥鎖又稱互斥型信號(hào)量，是一種特殊的二值性信號(hào)量，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)臨界資源的獨(dú)占式處理。 另外，互斥鎖可以解決信號(hào)量存在的優(yōu)先級(jí)翻轉(zhuǎn)問(wèn)題。 任意時(shí)刻互斥鎖只有兩種狀態(tài)，開(kāi)鎖或閉鎖。當(dāng)任務(wù)持有時(shí)，這個(gè)任務(wù)獲得該互斥鎖的所有權(quán)， 互斥鎖處于閉鎖狀態(tài)。當(dāng)該任務(wù)釋放鎖后，任務(wù)失去該互斥鎖的所有權(quán)，互斥鎖處于開(kāi)鎖狀態(tài)。 當(dāng)一個(gè)任務(wù)持有互斥鎖時(shí)，其他任務(wù)不能再對(duì)該互斥鎖進(jìn)行開(kāi)鎖或持有。

詳細(xì)可前往查看:

v27.xx (互斥鎖篇) | 互斥鎖比自旋鎖可豐滿許多

v26.xx (自旋鎖篇) | 真的好想為自旋鎖立貞節(jié)牌坊!

7.快鎖 (los_futex.c)

futex 是Fast Userspace muTexes的縮寫(xiě)(快速用戶空間互斥體),是一種用戶態(tài)和內(nèi)核態(tài)混合的同步機(jī)制。首先，同步的進(jìn)程間通過(guò)mmap共享一段內(nèi)存，futex變量就位于這段共享的內(nèi)存中且操作是原子的，當(dāng)進(jìn)程嘗試進(jìn)入互斥區(qū)或者退出互斥區(qū)的時(shí)候，先去查看共享內(nèi)存中的futex變量，如果沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生，則只修改futex,而不用再執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用了。當(dāng)通過(guò)訪問(wèn)futex變量告訴進(jìn)程有競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生，則還是得執(zhí)行系統(tǒng)調(diào)用去完成相應(yīng)的處理(wait 或者 wake up)。

注解版同步到官方最新源碼后,發(fā)現(xiàn)快鎖的部分改動(dòng)很大,這部分要重新注解,敬請(qǐng)留意.

8.事件 (los_event.c)

基本概念事件（Event）是一種任務(wù)間通信的機(jī)制，可用于任務(wù)間的同步。

多任務(wù)環(huán)境下，任務(wù)之間往往需要同步操作，一個(gè)等待即是一個(gè)同步。事件可以提供一對(duì)多、多對(duì)多的同步操作。 一對(duì)多同步模型：一個(gè)任務(wù)等待多個(gè)事件的觸發(fā)。可以是任意一個(gè)事件發(fā)生時(shí)喚醒任務(wù)處理事件，也可以是幾個(gè)事件都發(fā)生后才喚醒任務(wù)處理事件。 多對(duì)多同步模型：多個(gè)任務(wù)等待多個(gè)事件的觸發(fā)。

事件特點(diǎn)

任務(wù)通過(guò)創(chuàng)建事件控制塊來(lái)觸發(fā)事件或等待事件。 事件間相互獨(dú)立，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)為一個(gè)32位無(wú)符號(hào)整型，每一位標(biāo)識(shí)一種事件類型。第25位不可用，因此最多可支持31種事件類型。 事件僅用于任務(wù)間的同步，不提供數(shù)據(jù)傳輸功能。 多次向事件控制塊寫(xiě)入同一事件類型，在被清零前等效于只寫(xiě)入一次。 多個(gè)任務(wù)可以對(duì)同一事件進(jìn)行讀寫(xiě)操作。 支持事件讀寫(xiě)超時(shí)機(jī)制。

事件可應(yīng)用于多種任務(wù)同步場(chǎng)景，在某些同步場(chǎng)景下可替代信號(hào)量。

使用場(chǎng)景

隊(duì)列用于任務(wù)間通信，可以實(shí)現(xiàn)消息的異步處理。同時(shí)消息的發(fā)送方和接收方不需要彼此聯(lián)系，兩者間是解耦的。

詳細(xì)可前往查看:

v30.xx (事件控制篇) | 任務(wù)間多對(duì)多的同步方案

9.文件消息隊(duì)列 (hm_liteipc.c)

基于文件實(shí)現(xiàn)的消息隊(duì)列,特點(diǎn)是隊(duì)列中消息數(shù)量多(256個(gè)),傳遞消息內(nèi)容大(可到1K)

#define IPC_MSG_DATA_SZ_MAX 1024	//最大的消息內(nèi)容 1K ,posix最大消息內(nèi)容 64個(gè)字節(jié)
#define IPC_MSG_OBJECT_NUM_MAX 256	//最大的消息數(shù)量256 ,posix最大消息數(shù)量 16個(gè)

文件消息隊(duì)列隱約感覺(jué)鴻蒙的分布式通訊,跨屏之類的功能是靠它實(shí)現(xiàn)的,分布式的代碼還沒(méi)研究,尚不清楚,如果有了解的請(qǐng)告知.后續(xù)要重點(diǎn)研究下跨應(yīng)用通訊的技術(shù)實(shí)現(xiàn).

編輯：hfy