鸿蒙内核源码分析(消息封装篇) | 剖析LiteIpc(上)进程通讯内容

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。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 ?