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IPC进程间通信

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keer_zu|  楼主 | 2022-9-19 16:28 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
IPC进程间通信
IPC在QNX Neutrino (微内核) 从一个嵌入式实时系统向一个全面的POSIX系统转变起着至关重要的作用
在QNX中,消息传递是IPC的主要形式,也提供了其他的形式,除非有特殊的说明,否则这些形式也都是基于本地消息传递而实现的。QNX Neutrino提供以下形式的IPC:


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沙发
keer_zu|  楼主 | 2022-9-19 16:32 | 只看该作者
Channels and connections
IPC中消息传递是基于CS架构实现的,最简单的,制定对方进程号,要发送的一方,将消息加一个头,告诉内核把该消息发送给 pid12345就行了,其实QNX4的时候时这么做的. 但是

如果服务器有两个线程,分别进行不同的服务, 你或者可以把消息发送给 pid 12345 tid3 就可以, 但如果某一服务,由一组线程进行,就没办法了

为此, QNX6就抽象出了Channel这个概念, 一个Channel,就是一个服务的入口, 至于这个channel到底有多少线程为其服务, 由server负责 ChannelId = ChannelCreate(flags)

一个server可以有多个channels, 而客户端再向频道发送消息前, 需要先建立连接 Connection, 然后再将消息在connection上发送出去, 如果需要, 一个频道可以建立多个连接. ConnectionId = ConnectAttach(Node, Pid, Chid, Index, Flag)


在QNX Neutrino中,消息传递是面向通道(channel)和连接(connection)的,而不是直接从线程到线程的。接收消息的线程需要创建一个channel,发送消息的线程需要与该channel建立connection.
服务器使用MsgReceive()接收消息时需要使用channels,客户端则需要创建connections,以连接到服务器的通道上,连接建立好之后,客户端便可通过MsgSend()来发送消息了。如果进程中有很多线程都连接到一个通道上,为了提高效率,这些所有的连接都会映射到同一个内核对象中。在进程中,channels和connecttions会用一个小的整型标识符来标记。客户端connections会直接映射到文件描述符,在架构上这是一个关键点,可以消除另一层转换,不需要根据文件描述符来确定往哪里发消息,而是直接将消息发往文件描述符即可





与channel有关联的列表:

Receive,等待消息的LIFO线程队列;
Send,已发送消息但还未被接收的优先级FIFO线程队列;
Reply, 已发送消息,并且已经被收到,但尚未回复的无序线程列表;
不管在上述哪个列表中,线程都是阻塞状态,多个线程和多个客户端可能等待在同一个channel上



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板凳
keer_zu|  楼主 | 2022-9-19 16:37 | 只看该作者
Synchronous message passing

比较传统的IPC方式是基于主从式架构(CS), 并且是双向通信

发送(Send),接收(Receive)和应答(Reply) SRR过程

MsgReceive中第四个参数的类型为 struct _msg_info info 用于处理可变的信息长度
MsgRead() 与 MsgWrite(rcvid, buffer, len, offset) 用于客户端与服务端分块处理较大的信息



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地板
keer_zu|  楼主 | 2022-9-19 16:42 | 只看该作者
客户端

当客户端建立connection到channel后,

1.client调用MsgSend(), 其状态将变为阻塞blocked状态:
如果server还没调用MsgReceive(), client线程状态则为SEND blocked
一旦server调用了MsgReceive(), client线程状态变为REPLY blocked, 同时将SendBuf里的东西复制到ReceiveBuf中
当server线程执行MsgReply(), client线程状态就变成了READY

2.如果client线程调用MsgSend()后,而server线程正阻塞在MsgReceive()上, 则client线程状态直接跳过SEND blocked,直接变成REPLY blocked;

3.当server线程失败、退出、或者消失了,client线程状态变成READY,此时MsgSend()会返回一个错误值。



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keer_zu|  楼主 | 2022-9-19 16:44 | 只看该作者
客户端
客户端在频道上进行接收,

server线程调用MsgReceive()时,当没有线程给它发送消息,它的状态为RECEIVE blocked,当有线程发送时变为READY;server线程调用MsgReceive()时,当已经有其他线程给它发送过消息,MsgReceive()会立马返回,而不会阻塞;server线程调用MsgReply()时,不会阻塞;应答时,可以调用MsgError()告诉发送方有错误发送,MsgError(rcvid, EINVAL), MsgReply(rcvid, EINVAL, 0, 0), MsgSend()返回-1,而errno被设为EINVAL



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keer_zu|  楼主 | 2022-9-19 16:49 | 只看该作者
Message copying
QNX的消息服务,是直接将消息从一个线程的地址空间拷贝到另一个线程地址空间,不需要中间缓冲,因此消息传递的性能接近底层硬件的内存带宽。消息内容对内核来说没有特殊的意义,只对消息的发送和接收者才有意义.
当然,除了用线性的缓冲区进行消息传递以外,QNX也提供了定义良好的消息类型iov_t来"汇集"数据,以便能扩充或替代系统提供的服务。
消息在拷贝的时候,支持分块传输,也就是不要求连续的缓冲区,发送和接收线程可以指定IOV向量表,在这个表中去指定消息在内存中的位置。

分块传输也用在文件系统中,比如读数据的时候,将文件系统缓存中的数据分块读到用户提供的空间内,如下图:

对于简单的单块消息传递,就不需要通过IOV(input/output vector)的形式了,直接指向缓冲区即可。对于发送和接收的接口,多块发送和单块发送如下:

举个例子:
“header” 与 “databuf” 是不连续的两块数据,
虽然在客户端的Header同databuf是两块不相邻的内存,但传递到服务器端的ReceiveBuffer里,就是连续的了。也就是说在服务器端,要想得到原来databuf里的数据,只需要(ReceiveBuffer + sizeof(header))就可以了。(要注意数据结构对齐)
// 户端:                "header" 与 "databuf" 是不连续的两块数据
SETIOV(&iov[0], &header, sizeof(header));
SETIOV(&iov[1], databuf, datalen);
MsgSendvs(ConnectionId, iov, 2, Replybf, ReplyLen);
// 服务器端:        "header"与"databuf"被连续地存在ReceiveBuffer里
ReceiveId = MsgReceive(ChannelId, ReceiveBuffer, ReceiveBufLength, &MsgInfo);
header = (struct header *)ReceiveBuffer;
databuf = (char *)((char *)header + sizeof(*header));



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keer_zu|  楼主 | 2022-9-19 16:55 | 只看该作者
Pulses
脉冲其实更像一个短消息,也是在“连接Connection”上发送的。脉冲最大的特点是它是异步的。发送方不必要等接收方应答,直接可以继续执行。
但是,这种异步性也给脉冲带来了限制。脉冲能携带的数据量有限,只有一个**8位的"code"域 (1byte)用来区分不同的脉冲,和一个32位的“value"域 (4字节)**来携带数据。脉冲最主要的用途就是用来进行“通知”(Notification)。不仅是用户程序,内核也会生成发送特殊的“系统脉冲”到用户程序,以通知某一特殊情况的发生。





MsgSendPulse() 只在一个进程中的通知,用与同一个进程中一个线程要通知另一个线程的情形, 其中 code 8bits; value 32bits
MsgDeliverEvent() 在跨进程的时候的通知
MsgReceivePulse() 用于频道上只有pulse的接收
MsgReceive() 用于频道上既接收message又接收pulse


脉冲的接收比较简单,如果你知道频道上不会有别的消息,只有脉冲的话,可以用MsgReceivePulse()来只接收脉冲;
如果频道既可以接收消息,也可以接收脉冲时,就直接用MsgReceive(),只要确保接收缓冲(ReveiveBuf)至少可以容下一个脉冲(sizeof struct _pulse)就可以了。
在后一种情况下,如果MsgReceive()返回的rcvid是0,就代表接收到了一个脉冲,反之,则收到了一个消息。所以,一个既接收脉冲,又接收消息的服务器,可以是这样的
struct _pulse 定义
union {
    struct _pulse pulse;
    msg_header   header;
} msgs;
if ((rcvid = MsgReceive(chid, &msgs, sizeof(msgs), &info)) == -1) {
    perror("MsgReceive");
    continue;
}
if (rcvid == 0) {
// 此时为pulse信号
    process_pulse(&msgs, &info);
} else {
    process_message(&msgs, &info);
}


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keer_zu|  楼主 | 2022-9-19 16:56 | 只看该作者
脉冲的发送,最直接的就是MsgSendPulse()。不过,这个函数通常只在一个进程中,用在一个线程要通知另一个线程的情形。
在跨进程的时候,通常不会用到这个函数,而是用到下面将要提到的 MsgDeliverEvent()。
与消息传递相比,消息传递永远是在进程间进行的。也就是说,不会有一个进程向内核发送数据的情形, 而脉冲就不一样,除了用户进程间可以发脉冲以外,内核也会向用户进程发送“系统脉冲”来通知某一事件的发生。

MsgDeliverEvent()
在现实情况中,客户端与服务器端并不是很容易区分开来的。有的服务器端为了处理客户端的请求,本身就需要向别的服务器发送消息;有的客户端需要从不同的服务器那里得到服务,而不能阻塞在某一特定的服务器上;还有的时候,两个进程间的数据是互相流动的


也许有人认为,两个进程互为通讯就可以了。每个进程都建立自己的频道,然后都与对方的频道建一个连接就好了;这样,需要的时候,就可以直接通过连接向对方发送消息了。就好象管道(pipe)或是socketpair一样。请注意,这种设计在QNX的消息传递中是应该避免的。因为很容易就造成死锁。一个常见的情形是这样的:
进程A:MsgSend() 到进程B
进程B:MsgReceive()接收到消息
进程B:处理消息,然后MsgSend()给进程A
因为进程A正在阻塞状态中,无法接收并处理B的请求;所以A会在STATE_REPLY里,而B则会因MsgSend()而进入STATE_SEND,两个进程就互为死锁住了。
当然,如果A和B都使用多线程,专门用一个线程来MsgReceive(),这个情形或许可以避免;但你要保证 MsgReceive()的线程不会去MsgSend(),否则一样会死锁。在程序简单的时候或许你还有控制,如果程序变得复杂,又或者你写的只是一个程序库,别人怎么来用你完全没有控制
在QNX中,正确的方法是这样的。

客户端: 准备一个“通知事件”(Notification Event),并把这个事件用MsgSend()发给服务器端,意思是:“如果xxx情况发生的话,请用这个事件通知我”。
服务器: 收到这个消息后,记录下当时的rcvid,和传过来的事件,然后应答“好的,知道了”。
客户端: 因为有了服务器的应答,客户端不再阻塞,可以去做别的事
…过了一段时间
服务器: 在某个时刻,客户端所要求的“xxx情况”满足了,服务器调用 MsgDeliverEvent(rcvid, event);以通知客户端
客户端: 收到通知,再用MsgSend()发关“xxx 情况的数据在哪里?”
服务器: 用MsgReply()把数据返回给客户端



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keer_zu|  楼主 | 2022-9-19 16:57 | 只看该作者
Robust implementations with Send/Receive/Reply
异步系统的一个重要问题是事件通知需要运行信号处理程序。异步IPC难以彻底对系统进行测试,此外也难以确保信号处理程序按预期的运行。基于Send/Receive/Reply构建的同步、非队列系统结构,可以让应用程序的架构更健壮
使用各种IPC机制时,避免死锁是一个难题,在QNX中只需要遵循两个原则,就可以构建无死锁系统:

永远不要两个线程相互发送消息;
将线程组织为层级结构,并只向上发送消息;

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