Chrome源码剖析【二】
【二】Chrome的进程间通信
1. Chrome进程通信的基本模式
进程间通信，叫做IPC（Inter-Process Communication），在Chrome不多的文档中，有一篇就是介绍这个的，在这里。Chrome最主要有三类进程，一类是Browser主进程，我们一直尊称它老人家为老大；还有一类是各个Render进程，前面也提过了；另外还有一类一直没说过，是Plugin进程，每一个插件，在Chrome中都是以进程的形式呈现，等到后面说插件的时候再提罢了。Render进程和Plugin进程都与老大保持进程间的通信，Render进程与Plugin进程之间也有彼此联系的通路，唯独是多个Render进程或多个Plugin进程直接，没有互相联系的途径，全靠老大协调。。。
进程与进程间通信，需要仰仗操作系统的特性，能玩的花着实不多，在Chrome中，用到的就是有名管道（Named Pipe），只不过，它用一个IPC::Channel类，封装了具体的实现细节。Channel可以有两种工作模式，一种是Client，一种是Server，Server和Client分属两个进程，维系一个共同的管道名，Server负责创建该管道，Client会尝试连接该管道，然后双发往各自管道缓冲区中读写数据（在Chrome中，用的是二进制流，异步IO...），完成通信。。。
管道名字的协商 |
Channel中，有三个比较关键的角色，一个是Message::Sender，一个是Channel::Listener，最后一个是MessageLoopForIO::Watcher。Channel本身派生自Sender和Watcher，身兼两角，而Listener是一个抽象类，具体由Channel的使用者来实现。顾名思义，Sender就是发送消息的接口，Listener就是处理接收到消息的具体实现，但这个Watcher是啥？如果你觉得Watcher这东西看上去很眼熟的话，我会激动的热泪盈眶的，没错，在前面（第一部分第一小节...）说消息循环的时候，从那个表中可以看到，IO线程（记住，在Chrome中，IO指的是网络IO，*_*）的循环会处理注册了的Watcher。其实Watcher很简单，可以视为一个信号量和一个带有OnObjectSignaled方法对象的对，当消息循环检测到信号量开启，它就会调用相应的OnObjectSignaled方法。。。
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| 图5 Chrome的IPC处理流程图 |
一图解千语，如上图所示，整个Chrome最核心的IPC流程都在图上了，期间，刨去了一些错误处理等逻辑，如果想看原汁原味的，可以自查Channel类的实现。当有消息被Send到一个发送进程的Channel的时候，Channel会把它放在发送消息队列中，如果此时还正在发送以前的消息（发送端被阻塞...），则看一下阻塞是否解除（用一个等待0秒的信号量等待函数...），然后将消息队列中的内容序列化并写道管道中去。操作系统会维护异步模式下管道的这一组信号量，当消息从发送进程缓冲区写到接收进程的缓冲区后，会激活接收端的信号量。当接收进程的消息循环，循到了检查Watcher这一步，并发现有信号量激活了，就会调用该Watcher相应的OnObjectSignaled方法，通知接受进程的Channel，有消息来了！Channel会尝试从管道中收字节，组消息，并调用Listener来解析该消息。。。
从上面的描述不难看出，Chrome的进程通信，最核心的特点，就是利用消息循环来检查信号量，而不是直接让管道阻塞在某信号量上。这样就与其多线程模型紧密联系在了一起，用一种统一的模式来解决问题。并且，由于是消息循环统一检查，线程不会随便就被阻塞了，可以更好的处理各种其他工作，从理论上讲，这是通过增加CPU工作时间，来换取更好的体验，颇有资本家的派头。。。
温柔的消息循环 |
2. 进程间的跨线程通信和同步通信
在Chrome中，任何底层的数据都是线程非安全的，Channel不是太上老君（抑或中国足球？...），它也没有例外。在每一个进程中，只能有一个线程来负责操作Channel，这个线程叫做IO线程（名不符实真是一件悲凉的事情...）。其它线程要是企图越俎代庖，是会出大乱子的。。。
但是有时候（其实是大部分时候...），我们需要从非IO线程与别的进程相通信，这该如何是好？如果，你有看过我前面写的线程模型，你一定可以想到，做法很简单，先将对Channel的操作放到Task中，将此Task放到IO线程队列里，让IO线程来处理即可。当然，由于这种事情发生的太频繁，每次都人肉做一次颇为繁琐，于是有一个代理类，叫做ChannelProxy，来帮助你完成这一切。。。
从接口上看，ChannelProxy的接口和Channel没有大的区别（否则就不叫Proxy了...），你可以像用Channel一样，用ChannelProxy来Send你的消息，ChannelProxy会辛勤的帮你完成剩余的封装Task等工作。不仅如此，ChannelProxy还青出于蓝胜于蓝，在这个层面上做了更多的事情，比如：发送同步消息。。。
不过能发送同步消息的类不是ChannelProxy，而是它的子类，SyncChannel。在Channel那里，所有的消息都是异步的（在Windows中，也叫Overlapped...），其本身也不支持同步逻辑。为了实现同步，SyncChannel并没有另造轮子，而只是在Channel的层面上加了一个等待操作。当ChannelProxy的Send操作返回后，SyncChannel会把自己阻塞在一组信号量上，等待回包，直到永远或超时。从外表上看同步和异步没有什么区别，但在使用上还是要小心，在UI线程中使用同步消息，是容易被发指的。。。
3. Chrome中的IPC消息格式
说了半天，还有一个大头没有提过，那就是消息包。如果说，多线程模式下，对数据的访问开销来自于锁，那么在多进程模式下，大部分的额外开销都来自于进程间的消息拆装和传递。不论怎么样的模式，只要进程不同，消息的打包，序列化，反序列化，组包，都是不可避免的工作。。。
在Chrome中，IPC之间的通信消息，都是派生自IPC::Message类的。对于消息而言，序列化和反序列化是必须要支持的，Message的基类Pickle，就是干这个活的。Pickle提供了一组的接口，可以接受int，char，等等各种数据的输入，但是在Pickle内部，所有的一切都没有区别，都转化成了一坨二进制流。这个二进制流是32位齐位的，比如你只传了一个bool，也是最少占32位的，同时，Pickle的流是有自增逻辑的（就是说它会先开一个Buffer，如果满了的话，会加倍这个Buffer...），使其可以无限扩展。Pickle本身不维护任何二进制流逻辑上的信息，这个任务交到了上级处理（后面会有说到...），但Pickle会为二进制流添加一个头信息，这个里面会存放流的长度，Message在继承Pickle的时候，扩展了这个头的定义，完整的消息格式如下：
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| 图6 Chrome的IPC消息格式 |
其中，黄色部分是包头，定长96个bit，绿色部分是包体，二进制流，由payload_size指明长度。从大小上看这个包是很精简的了，除了routing位在消息不为路由消息的时候会有所浪费。消息本身在有名管道中是按照二进制流进行传输的（有名管道可以传输两种类型的字符流，分别是二进制流和消息流...），因此由payload_size + 96bits，就可以确定是否收了一个完整的包。。。
从逻辑上来看，IPC消息分成两类，一类是路由消息（routed message），还有一类是控制消息（control message）。路由消息是私密的有目的地的，系统会依照路由信息将消息安全的传递到目的地，不容它人窥视；控制消息就是一个广播消息，谁想听等能够听得到。。。
消息的序列化 |
4. 定义IPC消息
如果你写过MFC程序，对MFC那里面一大堆宏有所忌惮的话，那么很不幸，在Chrome中的IPC消息定义中，你需要再吃一点苦头了，甚至，更苦大仇深一些；如果你曾经领教过用模板的特化偏特化做Traits、用模板做函数重载、用编译期的Tuple做变参数支持，之类机制的种种麻烦的话，那么，同样很遗憾，在Chrome中，你需要再感受一次。。。
不过，先让我们忘记宏和模板，看人肉一个消息，到底需要哪些操作。一个标准的IPC消息定义应该是类似于这样的：
class SomeMessage
: public IPC::Message{public:enum { ID = ...; }
SomeMessage(SomeType & data): IPC::Message(MSG_ROUTING_CONTROL, ID, ToString(data)){...}
...};
大概意思是这样的，你需要从Message（或者其他子类）派生出一个子类，该子类有一个独一无二的ID值，该子类接受一个参数，你需要对这个参数进行序列化。两个麻烦的地方看的很清楚，如果生成独一无二的ID值？如何更方便的对任何参数可以自动的序列化？。。。
在Chrome中，解决这两个问题的答案，就是宏 + 模板。Chrome为每个消息安排了一种ID规格，用一个16bits的值来表示，高4位标识一个Channel，低12位标识一个消息的子id，也就是说，最多可以有16种Channel存在不同的进程之间，每一种Channel上可以定义4k的消息。目前，Chrome已经用掉了8种Channel（如果A、B进程需要双向通信，在Chrome中，这是两种不同的Channel，需要定义不同的消息，也就是说，一种双向的进程通信关系，需要耗费两个Channel种类...），他们已经觉得，16bits的ID格式不够用了，在将来的某一天，估计就被扩展成了32bits的。书归正传，Chrome是这么来定义消息ID的，用一个枚举类，让它从高到低往下走，就像这样：
enum SomeChannel_MsgType
{SomeChannelStart = 5 << 12,SomeChannelPreStart = (5 << 12) - 1,Msg1,Msg2,Msg3,...MsgN,SomeChannelEnd};
这是一个类型为5的Channel的消息ID声明，由于指明了最开始的两个值，所以后续枚举的值会依次递减，如此，只要维护Channel类型的唯一性，就可以维护所有消息ID的唯一性了（当然，前提是不能超过消息上限...）。但是，定义一个ID还不够，你还需要定义一个使用该消息ID的Message子类。这个步骤不但繁琐，最重要的，是违反了DIY原则，为了添加一个消息，你需要在两个地方开工干活，是可忍孰不可忍，于是Google祭出了宏这颗原子弹，需要定义消息，格式如下：
IPC_BEGIN_MESSAGES(PluginProcess, 3)IPC_MESSAGE_CONTROL2(PluginProcessMsg_CreateChannel,int /* process_id */,HANDLE /* renderer handle */)
IPC_MESSAGE_CONTROL1(PluginProcessMsg_ShutdownResponse,bool /* ok to shutdown */)
IPC_MESSAGE_CONTROL1(PluginProcessMsg_PluginMessage,std::vector<uint8> /* opaque data */)
IPC_MESSAGE_CONTROL0(PluginProcessMsg_BrowserShutdown)
IPC_END_MESSAGES(PluginProcess)
这是Chrome中，定义PluginProcess消息的宏，我挖过来放在这了，如果你想添加一条消息，只需要添加一条类似与IPC_MESSAGE_CONTROL0东东即可，这说明它是一个控制消息，参数为0个。你基本上可以这样理解，IPC_BEGIN_MESSAGES就相当于完成了一个枚举开始的声明，然后中间的每一条，都会在枚举里面增加一个ID，并声明一个子类。这个一宏两吃，直逼北京烤鸭两吃的高超做法，可以参看ipc_message_macros.h，或者看下面一宏两吃的一个举例。。。
多次展开宏的技巧 |
此外，当接收到消息后，你还需要处理消息。接收消息的函数，是IPC::Channel::Listener子类的OnMessageReceived函数。在这个函数中，会放置一坨的宏，这一套宏，一定能让你想起MFC的Message Map机制：
IPC_BEGIN_MESSAGE_MAP_EX(RenderProcessHost, msg, msg_is_ok)
IPC_MESSAGE_HANDLER(ViewHostMsg_PageContents, OnPageContents)IPC_MESSAGE_HANDLER(ViewHostMsg_UpdatedCacheStats,OnUpdatedCacheStats)IPC_MESSAGE_UNHANDLED_ERROR()IPC_END_MESSAGE_MAP_EX()
这个东西很简单，展开后基本可以视为一个Switch循环，判断消息ID，然后将消息，传递给对应的函数。与MFC的Message Map比起来，做的事情少多了。。。
通过宏的手段，可以解决消息类声明和消息的分发问题，但是自动的序列化还不能支持（所谓自动的序列化，就是不论你是什么类型的参数，几个参数，都可以直接序列化，不需要另写代码...）。在C++这种语言中，所谓自动的序列化，自动的类型识别，自动的XXX，往往都是通过模板来实现的。这些所谓的自动化，其实就是通过事前的大量人肉劳作，和模板自动递推来实现的，如果说.Net或Java中的自动序列化是过山轨道，这就是那挑夫的骄子，虽然最后都是两腿不动到了山顶，这底下费得力气真是天壤之别啊。具体实现技巧，有兴趣的看看《STL源码剖析》，或者是《C++新思维》，或者Chrome中的ipc_message_utils.h，这要说清楚实在不是一两句的事情。。。
总之通过宏和模板，你可以很简单的声明一个消息，这个消息可以传入各式各样的参数（这里用到了夸张的修辞手法，其实，只要是模板实现的自动化，永远都是有限制的，在Chrome的模板实现中，参数数量不要超过5个，类型需要是基本类型、STL容器等，在不BT的场合，应该够用了...），你可以调用Channel、ChannelProxy、SyncChannel之类的Send方法，将消息发送给其他进程，并且，实现一个Listener类，用Message Map来分发消息给对应的处理函数。如此，整个IPC体系搭建完成。。。
苦力的宏和模板 |
posted on 2008-10-04 09:27 duguguiyu 阅读(27933) 评论(18) 编辑 收藏 举报
