Linux进程间通信

基础概念

内核态/用户态

如上图所示，从宏观上来看，Linux操作系统的体系架构分为用户态和内核态（或者用户空间和内核空间）。操作系统的资源是有限的，如果访问资源的操作过多，必然会消耗过多的资源，而且如果不对这些操作加以区分，很可能造成资源访问的冲突。所以，为了减少有限资源的访问和使用冲突，Unix/Linux的设计哲学之一就是：对不同的操作赋予不同的执行等级，就是所谓特权的概念。简单说就是有多大能力做多大的事，与系统相关的一些特别关键的操作必须由最高特权的程序来完成。Intel的X86架构的CPU提供了0到3四个特权级，数字越小，特权越高，Linux操作系统中主要采用了0和3两个特权级，分别对应的就是内核态和用户态。当一个任务（进程）执行系统调用而陷入内核代码中执行时，称进程处于内核运行态（内核态），此时处理器处于特权级最高的（0级）内核代码中执行。进程在执行用户自己的代码的时候，我们称其处于用户运行态（用户态），此时处理器在特权级最低的（3级）用户代码中运行。

进程空间

[图片上传失败...(image-a8d6b8-1649494164150)]

如上是32为操作系统的进程空间划分，它的寻址空间（虚拟存储空间）就是 2 的 32 次方，也就是 4GB。操作系统的核心是内核，独立于普通的应用程序，可以访问受保护的内存空间，也可以访问底层硬件设备的权限。为了保护用户进程不能直接操作内核，保证内核的安全，操作系统从逻辑上将虚拟空间划分为用户空间（User Space）和内核空间（Kernel Space）。针对 Linux 操作系统而言，将最高的 1GB 字节供内核使用，称为内核空间；较低的 3GB 字节供各进程使用，称为用户空间。

系统调用

虽然从逻辑上进行了用户空间和内核空间的划分，但不可避免的用户空间需要访问内核资源，比如文件操作、访问网络等等。为了突破隔离限制，就需要借助系统调用来实现。系统调用是用户空间访问内核空间的唯一方式，保证了所有的资源访问都是在内核的控制下进行的，避免了用户程序对系统资源的越权访问，提升了系统安全性和稳定性。

进程隔离

简单的说就是操作系统中，进程与进程间内存是不共享的。两个进程就像两个平行的世界，A 进程没法直接访问 B 进程的数据，这就是进程隔离的通俗解释。A 进程和 B 进程之间要进行数据交互就得采用特殊的通信机制：进程间通信（IPC）。

进程间通信

基本原理

通常的做法是消息发送方将要发送的数据存放在内存缓存区中，通过系统调用进入内核态。然后内核程序在内核空间分配内存，开辟一块内核缓存区，调用 copy_from_user() 函数将数据从用户空间的内存缓存区拷贝到内核空间的内核缓存区中。同样的，接收方进程在接收数据时在自己的用户空间开辟一块内存缓存区，然后内核程序调用 copy_to_user() 函数将数据从内核缓存区拷贝到接收进程的内存缓存区。这样数据发送方进程和数据接收方进程就完成了一次数据传输，我们称完成了一次进程间通信。如下图：

image

分类

管道

管道分为有名管道和无名管道。

无名管道是一种半双工的通信方式,数据只能单向流动,而且只能在具有亲缘关系的进程间使用.进程的亲缘关系一般指的是父子关系。无明管道一般用于两个不同进程之间的通信。当一个进程创建了一个管道,并调用fork创建自己的一个子进程后,父进程关闭读管道端,子进程关闭写管道端,这样提供了两个进程之间数据流动的一种方式。

有名管道也是一种半双工的通信方式,但是它允许无亲缘关系进程间的通信。

信号

信号是一种比较复杂的通信方式,用于通知接收进程某个事件已经发生。

信号量

信号量是一个计数器，可以用来控制多个线程对共享资源的访问，它不是用于交换大批数据,而用于多线程之间的同步。它常作为一种锁机制，防止某进程在访问资源时其它进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一个进程内不同线程之间的同步手段。

消息队列

消息队列是消息的链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识.消息队列克服了信号传递信息少,管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等特点.消息队列是UNIX下不同进程之间可实现共享资源的一种机制,UNIX允许不同进程将格式化的数据流以消息队列形式发送给任意进程.对消息队列具有操作权限的进程都可以使用msget完成对消息队列的操作控制.通过使用消息类型,进程可以按任何顺序读信息,或为消息安排优先级顺序。

共享内存

共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存,这段共享内存由一个进程创建,但多个进程都可以访问.共享内存是最快的IPC(进程间通信)方式,它是针对其它进程间通信方式运行效率低而专门设计的.它往往与其他通信机制,如信号量,配合使用,来实现进程间的同步与通信。

套接字

socket，即套接字是一种通信机制，凭借这种机制，客户/服务器（即要进行通信的进程）系统的开发工作既可以在本地单机上进行，也可以跨网络进行。也就是说它可以让不在同一台计算机但通过网络连接计算机上的进程进行通信。也因为这样，套接字明确地将客户端和服务器区分开来。

Binder

理解了 Linux IPC 相关概念和通信原理，接下来我们来了解下Binder IPC的原理。

Binder IPC 原理

Binder 驱动

跨进程通信是需要内核空间做支持的。传统的 IPC 机制如管道、Socket 都是内核的一部分，因此通过内核支持来实现进程间通信自然是没问题的。但是 Binder 并不是 Linux 系统内核的一部分，那怎么办呢？这就得益于 Linux 的 动态内核可加载模块（Loadable Kernel Module，LKM）的机制；模块是具有独立功能的程序，它可以被单独编译，但是不能独立运行。它在运行时被链接到内核作为内核的一部分运行。这样，Android 系统就可以通过动态添加一个内核模块运行在内核空间，用户进程之间通过这个内核模块作为桥梁来实现通信。在 Android 系统中，这个运行在内核空间，负责各个用户进程通过 Binder 实现通信的内核模块就叫 Binder 驱动（Binder Dirver）。

内存映射

Binder IPC 机制中涉及到的内存映射通过 mmap() 来实现，mmap() 是操作系统中一种内存映射的方法。内存映射简单的讲就是将用户空间的一块内存区域映射到内核空间。映射关系建立后，用户对这块内存区域的修改可以直接反应到内核空间；反之内核空间对这段区域的修改也能直接反应到用户空间。

内存映射能减少数据拷贝次数，实现用户空间和内核空间的高效互动。两个空间各自的修改能直接反映在映射的内存区域，从而被对方空间及时感知。也正因为如此，内存映射能够提供对进程间通信的支持。

实现原理

一次完整的 Binder IPC 通信过程通常是这样：

1、首先 Binder 驱动在内核空间创建一个 数据接收缓存区 ；

2、接着在内核空间开辟一块内核缓存区，建立 内核缓存区 和 内核中数据接收缓存区 之间的映射关系，以及 内核中数据接收缓存区 和 接收进程用户空间地址 的映射关系；

3、发送方进程通过系统调用 copyfromuser() 将数据 copy 到内核中的内核缓存区，由于内核缓存区和接收进程的用户空间存在内存映射，因此也就相当于把数据发送到了接收进程的用户空间，这样便完成了一次进程间的通信。

201809203.png

与传统IPC的比较

性能

Binder相比传统IPC，通过内存映射减少了数据拷贝次数，从而提供了传输的性能。

IPC方式	拷贝次数
共享内存	0
Binder	1
管道/消息队列/信号量/Socket	2

稳定性

Binder 基于 C/S 架构，客户端（Client）有什么需求就丢给服务端（Server）去完成，架构清晰、职责明确又相互独立，自然稳定性更好。共享内存虽然无需拷贝，但是控制负责，难以使用。从稳定性的角度讲，Binder 机制是优于内存共享的。

安全性

Binder通过UID/PID来保证通信双方的合法性，进而达到IPC间消息传输的安全性。Binder对每个进程都分配了UID/PID，当通过Binder进行IPC时，系统会去核对UID/PID是否合法，只要系统认为合法的PID，才能完成Binder的IPC调用。如此，在IPC上增加一道关卡，保障IPC通信安全，所以相对其他IPC方式更具安全性。

Binder通信模型

image

Client, Server, ServiceManager 都是通过系统调用 open, mmap,和ioctl 来访问设备文件 /dev/binder, 从而实现与 Binder 驱动的交互来间接的实现跨进程通信.

Binder 驱动

Binder 驱动就如同路由器一样，是整个通信的核心；驱动负责进程之间 Binder 通信的建立，Binder 在进程之间的传递，Binder 引用计数管理，数据包在进程之间的传递和交互等一系列底层支持。

ServiceManager

ServiceManager 和 DNS 类似，作用是将字符形式的 Binder 名字转化成 Client 中对该 Binder 的引用，使得 Client 能够通过 Binder 的名字获得对 Binder 实体的引用。注册了名字的 Binder 叫实名 Binder，就像网站一样除了除了有 IP 地址意外还有自己的网址。Server 创建了 Binder，并为它起一个字符形式，可读易记得名字，将这个 Binder 实体连同名字一起以数据包的形式通过 Binder 驱动发送给 ServiceManager ，通知 ServiceManager 注册一个名为“张三”的 Binder，它位于某个 Server 中。驱动为这个穿越进程边界的 Binder 创建位于内核中的实体节点以及 ServiceManager 对实体的引用，将名字以及新建的引用打包传给 ServiceManager。ServiceManger 收到数据后从中取出名字和引用填入查找表。

ServierManager 是一个进程，Server 是另一个进程，Server 向 ServiceManager 中注册 Binder 必然涉及到进程间通信。ServiceManager 和其他进程同样采用 Bidner 通信，ServiceManager 是 Server 端，有自己的 Binder 实体，其他进程都是 Client，需要通过这个 Binder 的引用来实现 Binder 的注册，查询和获取。ServiceManager 提供的 Binder 比较特殊，它没有名字也不需要注册。当一个进程使用 BINDER_SET_CONTEXT_MGR 命令将自己注册成 ServiceManager 时 Binder 驱动会自动为它创建 Binder 实体。其次这个 Binder 实体的引用在所有 Client 中都固定为 0 而无需通过其它手段获得。也就是说，一个 Server 想要向 ServiceManager 注册自己的 Binder 就必须通过这个 0 号引用和 ServiceManager 的 Binder 通信。类比互联网，0 号引用就好比是域名服务器的地址，你必须预先动态或者手工配置好。要注意的是，这里说的 Client 是相对于 ServiceManager 而言的，一个进程或者应用程序可能是提供服务的Server，但对于 ServiceManager 来说它仍然是个 Client。

Client Server 向 ServiceManager 中注册了 Binder 以后， Client 就能通过名字获得 Binder 的引用了。Client 也利用保留的 0 号引用向 ServiceManager 请求访问某个 Binder: 我申请访问名字叫张三的 Binder 引用。ServiceManager 收到这个请求后从请求数据包中取出 Binder 名称，在查找表里找到对应的条目，取出对应的 Binder 引用作为回复发送给发起请求的 Client。从面向对象的角度看，Server 中的 Binder 实体现在有两个引用：一个位于 ServiceManager 中，一个位于发起请求的 Client 中。如果接下来有更多的 Client 请求该 Binder，系统中就会有更多的引用指向该 Binder ，就像 Java 中一个对象有多个引用一样。

Binder通信过程

Binder应用

binder在Android的应用非常多，比如Activity的启动、Broadcast的发送、Service的绑定等，而且常用的Messager、AIDL、ContentProvider都是使用Binder来实现的。

参考

https://www.cnblogs.com/bakari/p/5520860.html
https://blog.csdn.net/ypbsyy/article/details/79915117
https://www.linuxprobe.com/linux-process-method.html
https://www.jianshu.com/p/38c75edb4301
https://www.jianshu.com/p/41d3bbecff2c