使用多進程協(xié)作來實現(xiàn)應用和系統(tǒng)是一種被廣泛使用的開發(fā)方法。多進程協(xié)作主要有以下三點優(yōu)勢。
將功能模塊化，避免重復造輪子。
增強模塊間的隔離，提供更強的安全保障。
提高應用的容錯能力。
進程間通信(Inter-Process Communication，IPC)則是多進程協(xié)作的基礎。一般而言，IPC至少需要兩方(如兩個進程)參與。根據(jù)信息流動的方向，這兩方通常被稱為發(fā)送者和接收者。在實際使用中，IPC經(jīng)常被用于服務調(diào)用，因此參與IPC的兩方又被稱為調(diào)用者和被調(diào)用者，或者客戶端和服務端。
圖7-1是一個簡單的IPC設計。它假設內(nèi)核已為兩個進程映射了一段共享內(nèi)存，且共享內(nèi)存剛好可以存放兩個消息(發(fā)送者消息和接受者消息)。
01 進程間通信的重要功能
數(shù)據(jù)傳遞：消息傳遞(message passing)是IPC中常用的數(shù)據(jù)傳遞方式，即將數(shù)據(jù)抽象成一個個的消息進行傳遞。不同的IPC設計有不同的消息抽象，且消息傳遞往往需要一個“中間人”(如共享內(nèi)存)。
控制流轉(zhuǎn)移：當一個通信發(fā)生時，內(nèi)核將控制流從發(fā)送者進程切換到接收者進程(返回的過程類似)。IPC中的控制流轉(zhuǎn)移，通常是利用內(nèi)核對進程的運行狀態(tài)和運行時間的控制來實現(xiàn)的。
02 進程間通信的分類
單向IPC、雙向IPC、單/雙向IPC：單向IPC通常指消息在一個連接上只能從一端發(fā)送到另一端，雙向IPC則允許雙方互相發(fā)送消息。而單/雙向IPC則會根據(jù)通信中具體的配置選項等來判斷是否需要支持單向或雙向的通信。實際中，很多系統(tǒng)選擇的是單/雙向IPC，這樣可以比較好地支持各種場景。當然，如管道、信號等只支持單向IPC的機制在實際中同樣有較多的應用。
同步IPC和異步IPC：簡單來看，同步IPC指它的IPC操作(如Send)會阻塞進程直到該操作完成;而異步IPC則通常是非阻塞的，進程只要發(fā)起一次操作即可返回，而不需要等待其完成。相比異步而言，同步IPC有著更好的編程抽象。然而同步IPC在操作系統(tǒng)的發(fā)展中，逐漸表現(xiàn)出一些不足。一個典型的問題是并發(fā)。總的來看，目前大部分操作系統(tǒng)內(nèi)核都會選擇同時實現(xiàn)同步和異步IPC，以滿足不同的應用需求。
03 進程間通信的相關機制
超時機制：超時機制擴展了IPC通信雙方的接口，允許發(fā)送者/接收者指定它們發(fā)送/接收請求的等待時間。比如，一個應用程序可以花費5秒等待文件系統(tǒng)進程的IPC請求處理操作。如果超過5秒仍然沒有反饋，則由操作系統(tǒng)內(nèi)核結束這次IPC調(diào)用，返回一個超時的錯誤。
通信連接管理：對于基于共享內(nèi)存的進程間通信方案，通信連接的建立通常是在建立共享區(qū)域的一瞬間完成的;而對于涉及內(nèi)核的控制流轉(zhuǎn)移的通信而言，通信連接管理是內(nèi)核IPC模塊的很重要的一部分。雖然實際的系統(tǒng)中會有各種不同的實現(xiàn)，但是它們大部分可以被歸為兩類——直接通信和間接通信。直接通信是指通信的進程一方需要顯式地標識另一方。間接通信需要經(jīng)過一個中間的信箱來完成通信，每個信箱有自己唯一的標識符，而進程間通過共享一個信箱來交換消息。
權限檢查：進程間通信通常依賴于一套權限檢查的機制來保證連接的安全性。例如，seL4等微內(nèi)核系統(tǒng)中的Capability機制，會將所有的通信連接抽象成一個個的內(nèi)核對象。而每個進程對內(nèi)核對象的訪問權限(以及能夠在該內(nèi)核對象上執(zhí)行的操作)由Capability來刻畫。當一個進程企圖和某其他進程通信時，內(nèi)核會檢查該進程是否擁有一個Capability，是否有足夠的權限訪問一個連接對象并且對象是指向目標進程的。類似地，宏內(nèi)核，如Linux系統(tǒng)，通常會復用其有效用戶/有效組的文件權限，以刻畫進程對于某個連接的權限。
命名服務：命名服務像是一個全局的看板，可以協(xié)調(diào)服務端進程和客戶端進程之間的信息。簡單來說，服務端進程可以將自己提供的服務告訴命名服務進程，比如文件系統(tǒng)進程可以注冊一個“文件系統(tǒng)服務”，網(wǎng)絡系統(tǒng)進程可以注冊一個“網(wǎng)絡服務”。而客戶端進程可以去命名服務上查詢當前的服務，并選擇自己希望建立連接的服務去嘗試獲取權限。具體是否分發(fā)權限給對應的客戶端進程，是由命名服務和對應的服務端進程根據(jù)特定的策略來判斷的。
04 宏內(nèi)核進程間通信
宏內(nèi)核下的典型的進程間通信機制，具體包括管道，System V中的消息隊列、信號量、共享內(nèi)存，Linux信號機制，以及套接字機制(socket)。
宏內(nèi)核操作系統(tǒng)中進程間通信更多的是應用之間的交互，因此，設計的重心通常會放在接口的易用性、穩(wěn)定性等方面。圖7-5給出了典型的宏內(nèi)核進程間通信機制的對比。可以看到，雖然在IPC的幾個設計角度上幾個方案都各有異同，但是它們之間的主要區(qū)別是在數(shù)據(jù)抽象上。在實際的應用中，雖然多種IPC方案都可以作為通信的選擇，但是應用程序往往會根據(jù)對數(shù)據(jù)抽象的需求來選擇具體的方案。
05 微內(nèi)核進程間通信
由于進程間通信對于微內(nèi)核系統(tǒng)性能的重要意義，大部分微內(nèi)核操作系統(tǒng)都會優(yōu)先從性能角度來設計和實現(xiàn)進程間通信。
Mach：早期的微內(nèi)核進程間通信設計
Mach通過兩種基本的抽象——端口(port)和消息(message)，設計和實現(xiàn)了一種間接通信IPC：通信的雙方不需要顯式指定另一方，而是通過端口進行通信(對應于“信箱”)。進程之間通過端口流通的數(shù)據(jù)就是消息。
作為一個早期的微內(nèi)核系統(tǒng)，Mach系統(tǒng)的性能比起當時的宏內(nèi)核系統(tǒng)(如UNIX)還是存在不小的差距。其中一個原因是Mach為了實現(xiàn)大量的目標，如可裁剪性、可移植性等，導致其內(nèi)核復雜，且代碼量較大。不過，Mach的IPC設計仍對后來的很多系統(tǒng)有著非常重大的影響。Mach中端口和消息的設計使得進程間的通信和具體的進程是隔離開的。只要一個進程擁有某個端口，其就能夠通過這個端口和“另一端”的進程進行通信。后續(xù)的微內(nèi)核系統(tǒng)設計大都考慮了Mach的思想，不管是借鑒其設計還是將其缺陷引以為戒。
L4：圍繞進程間通信優(yōu)化而設計的微內(nèi)核系統(tǒng)
根據(jù)Mach的經(jīng)驗，Liedtke等研究人員開始研發(fā)L4系列的微內(nèi)核系統(tǒng)。L4系列微內(nèi)核系統(tǒng)的一個突出思路是：進程間通信是微內(nèi)核的核心功能，需要圍繞通信去完成整個系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。L4是當下仍然十分主流的微內(nèi)核系統(tǒng)，特別是后續(xù)衍生出了各種變體和相關的系統(tǒng)。
在L4微內(nèi)核中，內(nèi)核只保留了基本的功能，包括地址空間、線程、進程間通信等，并且不考慮如兼容性等要求，而是選擇針對特定硬件做極致的性能優(yōu)化。這樣做的好處就是內(nèi)核的代碼量非常少，可以把少量的功能盡可能支持好。
LRPC：遷移線程模型
遷移線程(thread migration)是一個比較“極端”的優(yōu)化性能的IPC設計。截止到目前，我們了解到優(yōu)化IPC性能的大部分工作會關注兩個部分：優(yōu)化控制流切換的性能和優(yōu)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅?。遷移線程認為，其他的IPC設計可以看成將需要處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到另一個進程并讓其處理。這也是為什么控制流切換和數(shù)據(jù)傳輸會成為主要的瓶頸。如果換一個角度，將另一個進程處理數(shù)據(jù)的代碼拉到當前進程，那么我們是不是可以避免控制流的切換(仍然是當前進程處理)以及數(shù)據(jù)傳輸(數(shù)據(jù)已經(jīng)準備在當前進程中)呢?遷移線程就是圍繞這個新的視角進行設計的。
遷移線程方案被用在LRPC、Mach(優(yōu)化版本)等系統(tǒng)中，是目前純軟件進程間通信優(yōu)化中效果最好的設計之一。遷移線程的基本原則是：簡化控制流切換，讓客戶端線程執(zhí)行“服務端的代碼”;簡化數(shù)據(jù)傳輸，共享參數(shù)棧和寄存器;簡化接口，減少序列化等開銷;優(yōu)化并發(fā)，避免共享的全局數(shù)據(jù)結構。其中，前兩點原則都基于“將代碼拉到本地”這個新的視角。
遷移線程IPC和主流IPC設計的對比如圖7-13所示。要做到“將代碼拉到本地”，遷移線程首先需要對線程結構進行解耦，明確線程中哪些部分是對通信請求處理起關鍵作用的。然后，這部分允許被調(diào)用者(負責處理請求的邏輯)運行在調(diào)用者的上下文中，將跨進程調(diào)用變成更接近函數(shù)調(diào)用的形式。
如果使用遷移線程模型，在進程間通信過程中，內(nèi)核不會阻塞調(diào)用者線程，但是會讓調(diào)用者線程執(zhí)行被調(diào)用者的代碼。整個過程沒有被調(diào)用者線程被喚醒，相反，被調(diào)用者端更像是一個“代碼提供者”。此外，內(nèi)核不會進行完整的上下文切換，而是只切換地址空間(頁表)等和請求處理相關的系統(tǒng)狀態(tài)。其中，不會涉及線程和優(yōu)先級的切換，也不會調(diào)用調(diào)度器。遷移線程的優(yōu)點在于減少了內(nèi)核調(diào)度的時間，并簡化了內(nèi)核中的IPC處理。在多核場景下，遷移線程方案還可以避免跨核通信引入的開銷。
06 案例分析：Android Binder
在Android場景下，進程間通信在大部分情況下做的其實是“遠程過程調(diào)用”。服務端進程負責提供具體的服務，客戶端進程則通過進程間通信來發(fā)起服務請求，并獲得服務端進程處理后的結果。除了通信雙方進程外，在Binder IPC中還引入了一個Context Manager進程。Context Manager提供命名服務，它的任務是建立通信連接。在Binder IPC的內(nèi)核設計中，提供了句柄(handle)的抽象來表示IPC對象(即一個通信連接)。句柄和我們熟悉的文件描述符其實很相似，用戶通過對句柄的操作來發(fā)起對特定進程的通信。
和之前的進程間通信設計不同的一點是，Binder IPC中采用了“線程池”的服務端模型。也就是說，在服務端中，Binder的用戶態(tài)和內(nèi)核會有一個響應線程池的概念。當某個客戶端進程發(fā)起通信時，內(nèi)核會從(服務端的)線程池中選擇一個可用的線程來響應。這種設計能夠在同步進程間通信的情況下比較好地處理并發(fā)的通信請求。
標簽： 進程間通信
