v77.02 鸿蒙内核源码分析(消息封装篇)|剖析LiteIpc(上)通讯内容原创

鸿蒙内核源码分析

发布于 2022-2-11 10:38

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基本概念

LiteIPC是OpenHarmony LiteOS-A内核提供的一种新型IPC（Inter-Process Communication，即进程间通信）机制，为轻量级进程间通信组件，为面向服务的系统服务框架提供进程间通信能力，分为内核实现和用户态实现两部分，其中内核实现完成进程间消息收发、IPC内存管理、超时通知和死亡通知等功能；用户态提供序列化和反序列化能力，并完成IPC回调消息和死亡消息的分发。

我们主要讲解内核态实现部分，本想一篇说完，但发现它远比想象中的复杂和重要，所以分两篇说，通讯内容和通讯机制。下篇可翻看 鸿蒙内核源码分析(消息映射篇) | 剖析LiteIpc(下)进程通讯机制 ，通讯的内容就是消息，围绕着消息展开的结构体多达10几个，捋不清它们之间的关系肯定是搞不懂通讯的机制，所以咱们得先搞清楚关系再说流程。下图是笔者读完LiteIPC模块后绘制的消息封装图，可以说LiteIPC是内核涉及结构体最多的模块，请消化理解，本篇将围绕它展开。
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系列篇多次提过，内核的每个模块都至少围绕着一个重要结构体展开，抓住了它顺瓜摸藤就能把细节抹的清清楚楚，于LiteIPC，这个结构体就是IpcMsg 。

运行机制

typedef struct {//IPC 消息结构体
    MsgType        type;       	/**< cmd type, decide the data structure below | 命令类型，决定下面的数据结构*/
    SvcIdentity    target;    	/**< serviceHandle or targetTaskId, depending on type | 因命令类型不同而异*/
    UINT32         code;      	/**< service function code | 服务功能代码*/
    UINT32         flag;		///< 标签
#if (USE_TIMESTAMP == 1)
    UINT64         timestamp;	///< 时间戳,用于验证
#endif
    UINT32         dataSz;    	/**< size of data | 消息内容大小*/
    VOID           *data;		///< 消息的内容,真正要传递的消息,这个数据内容是指spObjNum个数据的内容,定位就靠offsets
    UINT32         spObjNum;	///< 对象数量, 例如 spObjNum = 3时,offsets = [0,35,79],代表从data中读取 0 - 35给第一个对象,依次类推
    VOID           *offsets;	///< 偏移量,注意这里有多少个spObjNum就会有多少个偏移量,详见 CopyDataFromUser 来理解
    UINT32         processID; 	/**< filled by kernel, processId of sender/reciever | 由内核提供,发送/接收消息的进程ID*/
    UINT32         taskID;    	/**< filled by kernel, taskId of sender/reciever | 由内核提供,发送/接收消息的任务ID*/
#ifdef LOSCFG_SECURITY_CAPABILITY	
    UINT32         userID;		///< 用户ID
    UINT32         gid;			///< 组ID
#endif
} IpcMsg;

解读

第一个type，通讯的本质就是你来我往，异常当然也要考虑

  typedef enum {	
      MT_REQUEST,	///< 请求
      MT_REPLY,	///< 回复
      MT_FAILED_REPLY,///< 回复失败
      MT_DEATH_NOTIFY,///< 通知死亡
      MT_NUM
  } MsgType;

第二个target，LiteIPC中有两个主要概念，一个是ServiceManager，另一个是Service。整个系统只能有一个ServiceManager，而Service可以有多个。ServiceManager有两个主要功能：一是负责Service的注册和注销，二是负责管理Service的访问权限（只有有权限的任务Task可以向对应的Service发送IPC消息）。首先将需要接收IPC消息的任务通过ServiceManager注册成为一个Service，然后通过ServiceManager为该Service任务配置访问权限，即指定哪些任务可以向该Service任务发送IPC消息。LiteIPC的核心思想就是在内核态为每个Service任务维护一个IPC消息队列，该消息队列通过LiteIPC设备文件向上层用户态程序分别提供代表收取IPC消息的读操作和代表发送IPC消息的写操作。
```
/// SVC(service)服务身份证 
  typedef struct {
      UINT32         handle;  //service 服务ID, 范围[0,最大任务ID]
      UINT32         token;	//由应用层带入
      UINT32         cookie;	//由应用层带入
  } SvcIdentity;
```
code，timestamp由应用层设定，用于确保回复正确有效，详见CheckRecievedMsg

dataSz，data，spObjNum，offsets这四个需连在一起理解，是重中之重。其实消息又分成三种类型(对象)

  typedef enum {
      OBJ_FD,		///< 文件句柄
      OBJ_PTR,	///< 指针
      OBJ_SVC		///< 服务,用于设置权限
  } ObjType;
  typedef union {
      UINT32      fd; 	///< 文件描述符
      BuffPtr     ptr;	///< 缓存的开始地址,即:指针,消息从用户空间来时,要将内容拷贝到内核空间
      SvcIdentity  svc;	///< 服务,用于设置访问权限
  } ObjContent;
  typedef struct { // IpcMsg->data 包含三种子消息,也要将它们读到内核空间
      ObjType     type; ///< 类型
      ObjContent  content;///< 内容
  } SpecialObj;

这三种对象都打包在data中,总长度是dataSz，spObjNum表示个数，offsets是个整型数组，标记了对应第几个对象在data中的位置，这样就很容易从data读到对象的数据。
UINT32 fd类型对象通讯的实现是通过两个进程间共享同一个fd来实现通讯，具体实现函数为HandleFd。

/// 按句柄方式处理, 参数 processID 往往不是当前进程
  LITE_OS_SEC_TEXT STATIC UINT32 HandleFd(UINT32 processID, SpecialObj *obj, BOOL isRollback)
  {
      int ret;
      if (isRollback == FALSE) { // 不回滚
          ret = CopyFdToProc(obj->content.fd, processID);//目的是将两个不同进程fd都指向同一个系统fd,共享FD的感觉
          if (ret < 0) {//返回 processID 的 新 fd
              return ret;
          }
          obj->content.fd = ret; // 记录 processID 的新FD, 可用于回滚
      } else {// 回滚时关闭进程FD
          ret = CloseProcFd(obj->content.fd, processID);
          if (ret < 0) {
              return ret;
          }
      }

SvcIdentity svc用于设置进程<->任务之间彼此访问权限，具体实现函数为HandleSvc。

/// 按服务的方式处理,此处推断 Svc 应该是 service 的简写 @note_thinking
  LITE_OS_SEC_TEXT STATIC UINT32 HandleSvc(UINT32 dstTid, const SpecialObj *obj, BOOL isRollback)
  {
      UINT32 taskID = 0;
      if (isRollback == FALSE) {
          if (IsTaskAlive(obj->content.svc.handle) == FALSE) {
              PRINT_ERR("Liteipc HandleSvc wrong svctid\n");
              return -EINVAL;
          }
          if (HasServiceAccess(obj->content.svc.handle) == FALSE) {
              PRINT_ERR("Liteipc %s, %d\n", __FUNCTION__, __LINE__);
              return -EACCES;
          }
          if (GetTid(obj->content.svc.handle, &taskID) == 0) {//获取参数消息服务ID所属任务
              if (taskID == OS_PCB_FROM_PID(OS_TCB_FROM_TID(taskID)->processID)->ipcInfo->ipcTaskID) {//如果任务ID一样,即任务ID为ServiceManager
                  AddServiceAccess(dstTid, obj->content.svc.handle);
              }
          }
      }
      return LOS_OK;
  }

BuffPtr ptr 是通过指针传值，具体实现函数为HandlePtr，对应结构体为BuffPtr。

  typedef struct {
      UINT32         buffSz;  ///< 大小
      VOID           *buff;	///< 内容 内核需要将内容从用户空间拷贝到内核空间的动作 
  } BuffPtr;
/// 按指针方式处理
  LITE_OS_SEC_TEXT STATIC UINT32 HandlePtr(UINT32 processID, SpecialObj *obj, BOOL isRollback)
  {
      VOID *buf = NULL;
      UINT32 ret;
      if ((obj->content.ptr.buff == NULL) || (obj->content.ptr.buffSz == 0)) {
          return -EINVAL;
      }
      if (isRollback == FALSE) {
          if (LOS_IsUserAddress((vaddr_t)(UINTPTR)(obj->content.ptr.buff)) == FALSE) { // 判断是否为用户空间地址
              PRINT_ERR("Liteipc Bad ptr address\n"); //不在用户空间时
              return -EINVAL;
          }
          buf = LiteIpcNodeAlloc(processID, obj->content.ptr.buffSz);//在内核空间分配内存接受来自用户空间的数据
          if (buf == NULL) {
              PRINT_ERR("Liteipc DealPtr alloc mem failed\n");
              return -EINVAL;
          }
          ret = copy_from_user(buf, obj->content.ptr.buff, obj->content.ptr.buffSz);//从用户空间拷贝数据到内核空间
          if (ret != LOS_OK) {
              LiteIpcNodeFree(processID, buf);
              return ret;
          }//这里要说明下 obj->content.ptr.buff的变化,虽然都是用户空间的地址,但第二次已经意义变了,虽然数据一样,但指向的是申请经过拷贝后的内核空间
          obj->content.ptr.buff = (VOID *)GetIpcUserAddr(processID, (INTPTR)buf);//获取进程 processID的用户空间地址,如此用户空间操作buf其实操作的是内核空间
          EnableIpcNodeFreeByUser(processID, (VOID *)buf);//创建一个IPC节点,挂到可使用链表上,供读取
      } else {
          (VOID)LiteIpcNodeFree(processID, (VOID *)GetIpcKernelAddr(processID, (INTPTR)obj->content.ptr.buff));//在内核空间释放IPC节点
      }
      return LOS_OK;
  }

processID和taskID则由内核填充，应用层是感知不到进程和任务的，暴露给它是服务ID，SvcIdentity.handle，上层使用时只需向服务发送/读取消息，而服务是由内核创建，绑定在任务和进程上。所以只要有服务ID就能查询到对应的进程和任务ID。
userID和gid涉及用户和组安全模块，请查看系列相关篇。

进程和任务

再说两个结构体 ProcIpcInfo，IpcTaskInfo
LiteIPC实现的是进程间的通讯，所以在进程控制块中肯定有它的位置存在，即:ProcIpcInfo。

typedef struct {
    IpcPool pool;				///< ipc内存池,IPC操作所有涉及内核空间分配的内存均有此池提供
    UINT32 ipcTaskID;			///< 指定能ServiceManager的任务ID
    LOS_DL_LIST ipcUsedNodelist;///< 已使用节点链表,上面挂 IpcUsedNode 节点, 申请IpcUsedNode的内存来自内核堆空间
    UINT32 access[LOSCFG_BASE_CORE_TSK_LIMIT];	///< 允许进程通过IPC访问哪些任务
} ProcIpcInfo;

而进程只是管家，真正让内核忙飞的是任务，在任务控制块中也应有LiteIPC一席之地，即:IpcTaskInfo。

typedef struct {
    LOS_DL_LIST     msgListHead;///< 上面挂的是一个个的 ipc节点 上面挂 IpcListNode,申请IpcListNode的内存来自进程IPC内存池
    BOOL            accessMap[LOSCFG_BASE_CORE_TSK_LIMIT]; ///< 此处是不是应该用 LOSCFG_BASE_CORE_PROCESS_LIMIT ? @note_thinking 
    				///< 任务是否可以给其他进程发送IPC消息
} IpcTaskInfo;

两个结构体不复杂，把发送/回复的消息挂到对应的链表上，并提供进程<->任务间彼此访问权限功能access，accessMap，由谁来设置权限呢 ? 上面已经说过了是 HandleSvc。

IPC内存池

还有最后一个结构体IpcPool，

typedef struct {//用户空间和内核空间的消息传递通过偏移量计算
    VOID   *uvaddr;	///< 用户空间地址,由kvaddr映射而来的地址,这两个地址的关系一定要搞清楚,否则无法理解IPC的核心思想
    VOID   *kvaddr;	///< 内核空间地址,IPC申请的是内核空间,但是会通过 DoIpcMmap 将这个地址映射到用户空间
    UINT32 poolSize; ///< ipc池大小
} IpcPool;

它是LiteIPC实现通讯机制的基础，是内核设计很巧妙的地方，实现了在用户态读取内核态数据的功能。请想想它是如何做到的 ?

百文说内核 | 抓住主脉络

百文相当于摸出内核的肌肉和器官系统，让人开始丰满有立体感，因是直接从注释源码起步，在加注释过程中，每每有心得处就整理,慢慢形成了以下文章。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。
与代码需不断debug一样，文章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。
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百万汉字注解内核目的是要看清楚其毛细血管，细胞结构，等于在拿放大镜看内核。内核并不神秘，带着问题去源码中找答案是很容易上瘾的，你会发现很多文章对一些问题的解读是错误的，或者说不深刻难以自圆其说，你会慢慢形成自己新的解读，而新的解读又会碰到新的问题，如此层层递进，滚滚向前，拿着放大镜根本不愿意放手。
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