使用多進(jìn)程協(xié)作來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和系統(tǒng)是一種被廣泛使用的開發(fā)方法。多進(jìn)程協(xié)作主要有以下三點(diǎn)優(yōu)勢。

• 將功能模塊化，避免重復(fù)造輪子。

• 增強(qiáng)模塊間的隔離，提供更強(qiáng)的安全保障。

• 提高應(yīng)用的容錯能力。

進(jìn)程間通信（Inter-Process Communication，IPC）則是多進(jìn)程協(xié)作的基礎(chǔ)。一般而言，IPC至少需要兩方（如兩個進(jìn)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(shí)際使用中，IPC經(jīng)常被用于服務(wù)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(wù)端。

圖7-1是一個簡單的IPC設(shè)計。它假設(shè)內(nèi)核已為兩個進(jìn)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）。

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01 進(jìn)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(jìn)行傳遞。不同的IPC設(shè)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(dāng)一個通信發(fā)生時，內(nèi)核將控制流從發(fā)送者進(jìn)程切換到接收者進(jìn)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(jìn)程的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行時間的控制來實(shí)現(xiàn)的。

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02 進(jìn)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(xiàng)等來判斷是否需要支持單向或雙向的通信。實(shí)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(dāng)然，如管道、信號等只支持單向IPC的機(jī)制在實(shí)際中同樣有較多的應(yīng)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(jìn)程直到該操作完成；而異步IPC則通常是非阻塞的，進(jìn)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(shí)現(xiàn)同步和異步IPC，以滿足不同的應(yīng)用需求。

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03 進(jìn)程間通信的相關(guān)機(jī)制

• 超時機(jī)制：超時機(jī)制擴(kuò)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(yīng)用程序可以花費(fèi)5秒等待文件系統(tǒng)進(jìn)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(jié)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(jìn)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(shí)際的系統(tǒng)中會有各種不同的實(shí)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(jìn)程一方需要顯式地標(biāo)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(biāo)識符，而進(jìn)程間通過共享一個信箱來交換消息。

• 權(quán)限檢查：進(jìn)程間通信通常依賴于一套權(quán)限檢查的機(jī)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(jī)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(jìn)程對內(nèi)核對象的訪問權(quán)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(dāng)一個進(jìn)程企圖和某其他進(jìn)程通信時，內(nèi)核會檢查該進(jìn)程是否擁有一個Capability，是否有足夠的權(quán)限訪問一個連接對象并且對象是指向目標(biāo)進(jìn)程的。類似地，宏內(nèi)核，如Linux系統(tǒng)，通常會復(fù)用其有效用戶/有效組的文件權(quán)限，以刻畫進(jìn)程對于某個連接的權(quán)限。

• 命名服務(wù)：命名服務(wù)像是一個全局的看板，可以協(xié)調(diào)服務(wù)端進(jìn)程和客戶端進(jìn)程之間的信息。簡單來說，服務(wù)端進(jìn)程可以將自己提供的服務(wù)告訴命名服務(wù)進(jìn)程，比如文件系統(tǒng)進(jìn)程可以注冊一個“文件系統(tǒng)服務(wù)”，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)程可以注冊一個“網(wǎng)絡(luò)服務(wù)”。而客戶端進(jìn)程可以去命名服務(wù)上查詢當(dāng)前的服務(wù)，并選擇自己希望建立連接的服務(wù)去嘗試獲取權(quán)限。具體是否分發(fā)權(quán)限給對應(yīng)的客戶端進(jìn)程，是由命名服務(wù)和對應(yīng)的服務(wù)端進(jìn)程根據(jù)特定的策略來判斷的。

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04 宏內(nèi)核進(jìn)程間通信

宏內(nèi)核下的典型的進(jìn)程間通信機(jī)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(jī)制，以及套接字機(jī)制（socket）。

宏內(nèi)核操作系統(tǒng)中進(jìn)程間通信更多的是應(yīng)用之間的交互，因此，設(shè)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(jìn)程間通信機(jī)制的對比。可以看到，雖然在IPC的幾個設(shè)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(shí)際的應(yīng)用中，雖然多種IPC方案都可以作為通信的選擇，但是應(yīng)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。

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05 微內(nèi)核進(jìn)程間通信

由于進(jìn)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(shè)計和實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信。

Mach：早期的微內(nèi)核進(jìn)程間通信設(shè)計

Mach通過兩種基本的抽象——端口（port）和消息（message），設(shè)計和實(shí)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(jìn)行通信（對應(yīng)于“信箱”）。進(jìn)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(dāng)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(shí)現(xiàn)大量的目標(biāo)，如可裁剪性、可移植性等，導(dǎo)致其內(nèi)核復(fù)雜，且代碼量較大。不過，Mach的IPC設(shè)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(shè)計使得進(jìn)程間的通信和具體的進(jìn)程是隔離開的。只要一個進(jìn)程擁有某個端口，其就能夠通過這個端口和“另一端”的進(jìn)程進(jìn)行通信。后續(xù)的微內(nèi)核系統(tǒng)設(shè)計大都考慮了Mach的思想，不管是借鑒其設(shè)計還是將其缺陷引以為戒。

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L4：圍繞進(jìn)程間通信優(yōu)化而設(shè)計的微內(nèi)核系統(tǒng)

根據(jù)Mach的經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)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(shè)計和實(shí)現(xiàn)。L4是當(dāng)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(guān)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(jìn)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。

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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(shè)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(guān)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)男阅堋＿w移線程認(rèn)為，其他的IPC設(shè)計可以看成將需要處理的數(shù)據(jù)發(fā)送到另一個進(jìn)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(jìn)程處理數(shù)據(jù)的代碼拉到當(dāng)前進(jìn)程，那么我們是不是可以避免控制流的切換（仍然是當(dāng)前進(jìn)程處理）以及數(shù)據(jù)傳輸（數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備在當(dāng)前進(jìn)程中）呢？遷移線程就是圍繞這個新的視角進(jìn)行設(shè)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(jìn)程間通信優(yōu)化中效果最好的設(shè)計之一。遷移線程的基本原則是：①簡化控制流切換，讓客戶端線程執(zhí)行“服務(wù)端的代碼”；②簡化數(shù)據(jù)傳輸，共享參數(shù)棧和寄存器；③簡化接口，減少序列化等開銷；④優(yōu)化并發(fā)，避免共享的全局?jǐn)?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中，前兩點(diǎn)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(shè)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(jié)構(gòu)進(jìn)行解耦，明確線程中哪些部分是對通信請求處理起關(guān)鍵作用的。然后，這部分允許被調(diào)用者（負(fù)責(zé)處理請求的邏輯）運(yùn)行在調(diào)用者的上下文中，將跨進(jìn)程調(diào)用變成更接近函數(shù)調(diào)用的形式。

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如果使用遷移線程模型，在進(jìn)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(jìn)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(guān)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(diǎn)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。

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06 案例分析：Android Binder

在Android場景下，進(jìn)程間通信在大部分情況下做的其實(shí)是“遠(yuǎn)程過程調(diào)用”。服務(wù)端進(jìn)程負(fù)責(zé)提供具體的服務(wù)，客戶端進(jìn)程則通過進(jìn)程間通信來發(fā)起服務(wù)請求，并獲得服務(wù)端進(jìn)程處理后的結(jié)果。除了通信雙方進(jìn)程外，在Binder IPC中還引入了一個Context?Manager進(jìn)程。Context Manager提供命名服務(wù)，它的任務(wù)是建立通信連接。在Binder IPC的內(nèi)核設(shè)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(shí)很相似，用戶通過對句柄的操作來發(fā)起對特定進(jìn)程的通信。

和之前的進(jìn)程間通信設(shè)計不同的一點(diǎn)是，Binder IPC中采用了“線程池”的服務(wù)端模型。也就是說，在服務(wù)端中，Binder的用戶態(tài)和內(nèi)核會有一個響應(yīng)線程池的概念。當(dāng)某個客戶端進(jìn)程發(fā)起通信時，內(nèi)核會從（服務(wù)端的）線程池中選擇一個可用的線程來響應(yīng)。這種設(shè)計能夠在同步進(jìn)程間通信的情況下比較好地處理并發(fā)的通信請求。

本文節(jié)選自《現(xiàn)代操作系統(tǒng)：原理與實(shí)現(xiàn)》第7章

操作系統(tǒng)和系統(tǒng)安全領(lǐng)域國際知名學(xué)者、上海交通大學(xué)陳海波、夏虞斌領(lǐng)銜撰寫；

本書是作者在復(fù)旦大學(xué)和上海交通大學(xué)十余年操作系統(tǒng)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)的科學(xué)總結(jié)，由淺入深介紹現(xiàn)代操作系統(tǒng)經(jīng)典理論與方法。結(jié)合前沿研究與工業(yè)界實(shí)踐，面向真實(shí)場景與真實(shí)問題。

創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎勵來咯，堅持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的终于有人将进程间通信讲明白了的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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