v28.04 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OpenHarmony源码

原创
02/05 17:15
阅读数 6.6K

子曰:“学如不及,犹恐失之。” 《论语》:泰伯篇

在这里插入图片描述

百篇博客系列篇.本篇为: v28.xx 鸿蒙内核源码分析(进程通讯篇) | 九种进程间通讯方式速揽

进程通讯相关篇为:

在这里插入图片描述

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.

在这里插入图片描述

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:

在这里插入图片描述

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

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:

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:

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:

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:

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.

百篇博客分析.深挖内核地基

  • 给鸿蒙内核源码加注释过程中,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,容易理解记忆。说别人能听得懂的话很重要! 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。 😛
  • 与代码有bug需不断debug一样,文章和注解内容会存在不少错漏之处,请多包涵,但会反复修正,持续更新,v**.xx 代表文章序号和修改的次数,精雕细琢,言简意赅,力求打造精品内容。

按功能模块:

基础工具 加载运行 进程管理 编译构建
双向链表 位图管理 用栈方式 定时器 原子操作 时间管理 ELF格式 ELF解析 静态链接 重定位 进程映像 进程管理 进程概念 Fork 特殊进程 进程回收 信号生产 信号消费 Shell编辑 Shell解析 编译环境 编译过程 环境脚本 构建工具 gn应用 忍者ninja
进程通讯 内存管理 前因后果 任务管理
自旋锁 互斥锁 进程通讯 信号量 事件控制 消息队列 内存分配 内存管理 内存汇编 内存映射 内存规则 物理内存 总目录 调度故事 内存主奴 源码注释 源码结构 静态站点 时钟任务 任务调度 任务管理 调度队列 调度机制 线程概念 并发并行 CPU 系统调用 任务切换
文件系统 硬件架构
文件概念 文件系统 索引节点 挂载目录 根文件系统 字符设备 VFS 文件句柄 管道文件 汇编基础 汇编传参 工作模式 寄存器 异常接管 汇编汇总 中断切换 中断概念 中断管理

百万汉字注解.精读内核源码

WeHarmony/kernel_liteos_a_note

鸿蒙研究站 | 每天死磕一点点,原创不易,欢迎转载,但请注明出处。

展开阅读全文
打赏
1
2 收藏
分享
加载中
该评论暂时无法显示,详情咨询 QQ 群:912889742
更多评论
打赏
1 评论
2 收藏
1
分享
返回顶部
顶部