Linux中传统的IPC机制

介绍

IPC全称为Inter-Process Communication，含义为进程间通信，是指两个进程之间进行数据交换的过程。IPC不是Android中所独有的，任何一个操作系统都需要有相应的IPC机制，比如Windows上可以通过剪贴板等进行进程间通信；Linux上可以通过管道(Pipe)、信号(Sinal)、信号量(Semophore)、消息队列(Message)、共享内存(Share Memory)和套接字(Socket)等来进行进程间的通信。可以看到不同的操作系统有着不同IPC机制，对于Android来说，它是一种基于Linux内核的移动操作系统，它的进程间通信方式就是Binder了，通过Binder可以轻松实现进程间的通信。本文主要介绍Linux中的IPC机制，以及相关的使用场景。

1.管道

管道是Linux有UNIX继承过来的进程间的通信机制，它是UNIX早期的一个重要通信机制，管道的主要思想是在内存中创建一个共享文件，从而使通信双方利用这个共享文件来传递信息。这个共享文件比较特殊，他不属于文件系统并且只存在于内存中。另外管道采用半双工通信方式，数据只能在一个方向流动。管道的简单模型如下图：

通过简单的模型图，相信应该比较容易理解通过管道通信，传递数据，需要两次拷贝，进程A将数据拷贝至管道，进程B再从管道拷贝。

1.1管道应用场景之父子进程

管道应用场景一般在父子进程之间使用，当然如果是有名管道，只要通信的两个进程知道管道名称就可以通信了。父进程孵化克隆子进程时，就是使用的(无名)管道，通过管道将父进程的数据资源拷贝到子进程,通过调用pipe(fd)生成一对描述符，一个用来写，另一个用来读。fd[0]是用来读的，fd[1]是用来写的，通过fork()创建子进程，子进程会继承父进程的一对管道描述符。现在的需求是只是希望父进程往子进程里面写东西，那就可以把父进程的读描述符关了，子进程的写描述符关了。现在父进程往写描述符里面写入数据字符串，子进程就可以从读描述符把字符串读出来，读到buf里面,也对应了前面提到的半双工通信方式，数据只能在一个方向流动/传输，要么读，要么写，即管道一端写入数据，另一端读取数据。

int main(void) {int n,fd[2];char buf[SIZE];pipe(fd);pid_t pid = fork();if(pid == 0) {//关闭子进程写描述符close(fd[1]);//子进程向读描述符fd[0]，读取数据到buf里面read(fd[0],buf,SIZE);} else if(pid > 0) {//关闭父进程读描述符close(fd[0]);//父进程向写描述符fd[1],写入字符串"Hello"write(fd[1],"Hello",5);}
}

对应的模型图如下：

1.2管道应用场景之Looper

管道在FrameWork中还有哪些应用场景呢？java层的loop在native层会有对应的Looper类，它的构造里面就会创建一个管道，Android4.4 用的是管道，在更高的版本如6.0，管道被换成了eventFd。现在主要是了解一下管道的用法。通过pipe创建管道，有读端，有写端。创建epoll，注册监听事件，监听读事件，即读描述符的读事件，如果有另一个进程拿到这个管道的写描述符，往里面写入数据的话，那么读端就能收到通知了。

Looper::looper(bool allowNonCallbacks){int wakeFds[2];//创建管道，生成对应的描述符int result = pipe(wakeFds);//读描述符mWakeREadPipeFd = wakeFds[0];//写描述符mWakeWritePipeFd = wakeFds[1];...mEpollFd = epoll_create(EPOLL_SIZE_HINT);//监听(读描述符)的读事件struct epoll_EVENT eventItem;eventItem.events = EPOLLIN;eventItem.data.fd = mWakeReadPipeFd;epoll_ctl(mEpollFd, EPOLL_CTL_ADD,mWakeReadPipeFd, &eventItem);
}

接下来看epoll是如何监听读端事件的

int Looper::pollInner(int timeoutMillis) {struct epoll_event eventItems[EPOLL_MAX_EVENTS];int eventCount = epoll_wait(mEpollFd,eventItems,...);for(int i=0;i<eventCount;i++){int fd = eventItems[i].data.fd;uint32_t epollEvents = eventItems[i].events;if (fd == mWakeReadPipeFd) {if (epollEvents & EPOLLIN) {awoken();}}}...return result;
}

epoll_wait阻塞在这里，等待事件。等到它返回时，返回值eventCount表示被触发事件的数量。然后在循环里面依次处理，if fd== mWakeReadPipeFd, 如果事件是可读的，就调用awoken(); 将管道里面的数据读出来，不然管道满了，写端就不能往管道写入数据了。并不关注往管道写入的是什么，只要往往管道写入数据，就会唤醒读端阻塞的线程，就可以去处理消息了。当别的线程给我们线程发消息时，就会通过wake函数往管道里面写入数据。

void Looper::wake() {nWrite = write(mWakeWritePipeFd,"W",1);
}

管道使用还是挺方便的，主要是它可以和epoll相结合，监听读写事件，它在进程里面可以用，跨进程也可以用，在数据量不大的跨进程通信中还是不错的。

2.Socket

套接字是更基础的进程间的通信机制，与其他通信机制不同的是，套接字可用于不同机器之间的进程间通信。它是全双工的，即在任何时候，通信两端都可以发送或接收数据，即读写操作。在Android中有没有socket的应用场景呢？答案是有的，在Zygote的Java框架层中会创建一个Server端的Socket，这个Socket用来等待AMS请求Zygote来创建新的应用程序进程。

public static void main(String argv[]) {......registerZygoteSocket(socketName);......runSelectLoop(abiList);
}

在Zygote的main函数中，通过registerZygoteSocket创建一个本地socket，做好一些准备工作之后，就进入runSelectLoop循环，去检测socket有没有新过来的连接或数据。

void runSelectLoop(String abiList) {......while(true) {Os.poll(pollFds, -1);for (int i = pollFds.length - 1; i >= 0; --i) {if (i == 0) {//处理新过来的连接} else {//处理发过来的数据peers.get(i).runOnce();}} }
}

runOnce处理数据是通过Socket读取发送过来的参数，根据参数去执行相关指令，这里的应用场景执行的就是创建新的应用进程，创建之后，将进程的pid通过socket写给对方。

Tips：问题来了，我们知道Binder是Android较为高效的跨进程通信机制，此处为何会采用Socket通信呢？

Zygote进程创建/孵化子进程，fork做了如下事情：

父进程的内存数据会原封不动的拷贝到子进程中
子进程在单线程状态下被生成

不采用binder通信，是为了避免binder线程有锁，然后子进程的主线程一直等待子线程(从父进程拷贝过来的子线程)的资源，但其实父进程的子线程没有拷贝过来，容易造成死锁。所以fork不允许在多线程环境，即不采用binder通信。

3.共享内存

共享内存的多个进程可以直接读写一块内存空间，是针对其他通信机制运行效率低而设计的，为了在多个进程间交换信息，内核专门留出了一块内存区，可以由需要访问的进程将其映射到自己的私有地址空间。这样，进程就可以直接读写这一块内存而不需要进行数据的复制了，从无需数据拷贝的角度来看，提高了效率，但是要避免一方修改了数据，另一方读取的数据还是之前的数据，就需要同步机制，开销大。同步机制容易造成数据不同步和死锁等问题。所以说它内存管理机制比较复杂。

Ashmem是一种共享内存的机制，它利用了Linux的mmap系统调用，将不同进程中的同一段物理内存映射到进程各自的虚拟地址空间，从而实现高效的进程间共享。而MemoryFile就是对Ashmem(匿名共享内存)做了封装。

native_open调用ashmem_create_region创建一块匿名共享内存，返回描述符mFD , native_mmap调用native层的mmap将描述符mFD映射到当前进程的内存空间，mAdress就是内存空间的地址。接下来是MemoryFile的读和写方法：

jint android_os_MemoryFile_read(JNIEnv* env,jobject clazz,...) {......env-> SetByteArrayRegion(buffer,destOffset,count,...);......return count;
}

jint android_os_MemoryFile_write(JNIEnv* env,jobject clazz,...) {......env-> SetByteArrayRegion(buffer,srcOffset,count,...);......return count;
}

read是将共享内存数据读到应用层的buffer里面，通过setByteArrayRegion方法将native buffer的数据拷贝到java的数组里面，write就是反过来了。

4.信号

信号是原件层次上对中断机制的一种模拟，信号是一种异步通信方式，进程不必通过任何操作来等待信号的到达。信号可以在用户空间进程和内核之间直接交互，内核可以利用信号来通知用户空间的进程发生了哪些事件。具有以下特点：

单向的，发出去之后怎么处理是别人的事
只能带个信号，不能带别的参数
知道进程pid就能发信号了，也可以一次给一群进程发信号(root权限或者和其他进程uid相同，才能发信号)

从以上特点可知，信号不适用于信息交换/数据传递，比较适用于单纯的通知预警作用，比如进程中断控制。

有时候要杀掉应用进程调用killProcess函数，就是给进程发送SIGNAL_KILL信号，pid就是进程pid，不是想杀谁就能杀谁的，受权限控制的。两个进程的userID相同才能给别人发送信号，应用进程都是zygote进程fork出来的，uid默认都是和zygote相同的。但是进程启动之后都会马上重新设置自己的uid，所以不能随便给别人发送信号的。zygote进程会关注SIGCHLD信号，zygote启动子进程之后需要关注子进程退出了没有，如果退出了，需要及时把它的资源回收掉。

public class Process {public static final void killProcess(int pid) {sendSignal(pid,SIGNAL_KILL);}
}