第十讲 进程间通信

Inter Process Communication, IPC

第二节 支持IPC的OS

IPC OS (IOS)



向勇 陈渝 李国良 任炬

2024年秋季

课程幻灯片列表

提纲

1. 实验安排

  1. 代码结构
  2. 管道的设计实现
  3. 信号的设计实现

1.1 实验目标

1.2 总体思路
1.3 历史背景
1.4 实践步骤

以往实验目标

提高性能、简化开发、加强安全、支持数据持久保存

  • Filesystem OS：支持数据持久保存
  • Process OS: 增强进程管理和资源管理
  • Address Space OS: 隔离APP访问的内存地址空间
  • multiprog & time-sharing OS: 让APP共享CPU资源
  • BatchOS: 让APP与OS隔离，加强系统安全，提高执行效率
  • LibOS: 让APP与HW隔离，简化应用访问硬件的难度和复杂性
实验目标

支持应用的灵活性，支持进程间交互

实验目标

支持应用的灵活性，支持进程间交互

  • 扩展文件抽象：Pipe，Stdout, Stdin
  • 以文件形式进行进程间数据交换
  • 以文件形式进行串口输入输出
  • 信号实现进程间异步通知机制
  • 系统调用数量：11个 --> 17个
    • 管道：2 个、用于传数据
    • 信号：4 个、用于发通知
实验要求
  • 理解文件抽象
  • 理解IPC机制的设计与实现
    • pipe
    • signal
  • 会写支持IPC的OS

提纲

  1. 实验安排
  2. 代码结构
  3. 管道的设计实现
  4. 信号的设计实现

1.1 实验目标

1.2 总体思路

1.3 历史背景
1.4 实践步骤

管道实现需要考虑的问题
  • 管道是啥？
  • 如何访问管道？
  • 如何管理管道？

理解管道

管道是内核中的一块内存

  • 顺序写入/读出字节流

管道可抽象为文件

  • 进程中包含管道文件描述符
    • 管道的FileTrait的接口
    • read/write
  • 应用创建管道的系统调用
    • sys_pipe
管道示例程序 (用户态)
...// usr/src/bin/pipetest.rs
static STR: &str = "Hello, world!"  //字符串全局变量
pub fn main() -> i32 {
    let mut pipe_fd = [0usize; 2]; //包含两个元素的fd数组
    pipe(&mut pipe_fd); // create pipe
    if fork() == 0 { // child process, read from parent
        close(pipe_fd[1]); // close write_end
        let mut buffer = [0u8; 32]; //包含32个字节的字节数组
        let len_read = read(pipe_fd[0], &mut buffer) as usize; //读pipe
    } else { // parent process, write to child
        close(pipe_fd[0]); // close read end
        write(pipe_fd[1], STR.as_bytes()); //写pipe
        let mut child_exit_code: i32 = 0;
        wait(&mut child_exit_code); //父进程等子进程结束
    }
...
管道与进程的关系
  • pipe是进程控制块的资源之一
信号实现需要考虑的问题
  • 信号是啥？
  • 如何使用信号？
  • 如何管理信号？
理解信号

signal是内核通知应用的软件中断

准备阶段

  • 设定signal的整数编号值
  • 建立应对某signal编号值的例程signal_handler

执行阶段

  • 向某进程发出signal，打断进程的当前执行，转到signal_handler执行
信号示例程序（用户态）
...// usr/src/bin/sig_simple.rs
fn func() { //signal_handler
    println!("user_sig_test succsess");
    sigreturn(); //回到信号处理前的位置继续执行
}
pub fn main() -> i32 {
    let mut new = SignalAction::default();  //新信号配置
    let old = SignalAction::default();      //老信号配置
    new.handler = func as usize;            //设置新的信号处理例程
    if sigaction(SIGUSR1, &new, &old) < 0 { //setup signal_handler
        panic!("Sigaction failed!");
    }
    if kill(getpid() as usize, SIGUSR1) <0{ //send SIGUSR1 to itself
      ...
    }
...
信号与进程的关系
  • signal是进程控制块的资源之一

提纲

  1. 实验安排
  2. 代码结构
  3. 管道的设计实现
  4. 信号的设计实现

1.1 实验目标
1.2 总体思路

1.3 历史背景

1.4 实践步骤

管道：Unix 中最引人注目的发明
  • 管道的概念来自贝尔实验室的Douglas McIlroy，他在1964年写的一份内部文件中，提出了把多个程序“像花园水管一样”串连并拧在一起的想法，让数据在不同程序中流动。
  • 大约在1972年下半年，Ken Thompson在听了Douglas McIlroy关于管道的唠叨后，灵机一动，迅速把管道机制实现在UNIX中。
信号：Unix 中容易出错的软件中断

信号从Unix的第一个版本就已存在，只是与我们今天所知道的有点不同，需要通过不同的系统调用来捕获不同类型的信号。在版本4之后，改进为通过一个系统调用来捕获所有信号。

提纲

  1. 实验安排
  2. 代码结构
  3. 管道的设计实现
  4. 信号的设计实现

1.1 实验目标
1.2 总体思路
1.3 历史背景

1.4 实践步骤

实践步骤
git clone https://github.com/rcore-os/rCore-Tutorial-v3.git
cd rCore-Tutorial-v3
git checkout ch7
cd os
make run
参考输出
[RustSBI output]
...
filetest_simple
fantastic_text
**************/
Rust user shell
>>

操作系统启动shell后，用户可以在shell中通过敲入应用名字来执行应用。

测例 pipetest

在这里我们运行一下本章的测例 pipetest ：

>> pipetest
Read OK, child process exited!
pipetest passed!
>>

此应用的父子进程通过pipe完成字符串"Hello, world!"的传递。

测例 sig_simple

在这里我们运行一下本章的测例 sig_simple ：

>> sig_simple 
signal_simple: sigaction
signal_simple: kill
user_sig_test succsess
signal_simple: Done
>>

此应用建立了针对SIGUSR1信号的信号处理例程func，然后再通过kill给自己发信号SIGUSR1，最终func会被调用。

提纲

  1. 实验安排

2. 代码结构

  1. 管道的设计实现
  2. 信号的设计实现
用户代码结构
└── user
    └── src
        ├── bin
        │   ├── pipe_large_test.rs(新增：大数据量管道传输)
        │   ├── pipetest.rs(新增：父子进程管道传输)
        │   ├── run_pipe_test.rs(新增：管道测试)
        │   ├── sig_tests.rs(新增：多方位测试信号机制)
        │   ├── sig_simple.rs(新增：给自己发信号)
        │   ├── sig_simple2.rs(新增：父进程给子进程发信号)
        ├── lib.rs(新增两个系统调用：sys_close/sys_pipe/sys_sigaction/sys_kill...)
        └── syscall.rs(新增两个系统调用：sys_close/sys_pipe/sys_sigaction/sys_kill...)
内核代码结构
├── fs(新增：文件系统子模块 fs)
│   ├── mod.rs(包含已经打开且可以被进程读写的文件的抽象 File Trait)
│   ├── pipe.rs(实现了 File Trait 的第一个分支——可用来进程间通信的管道)
│   └── stdio.rs(实现了 File Trait 的第二个分支——标准输入/输出)
├── mm
│   └── page_table.rs(新增：应用地址空间的缓冲区抽象 UserBuffer 及其迭代器实现)
├── syscall
│   ├── fs.rs(修改：调整 sys_read/write 的实现，新增 sys_close/pipe)
│   ├── mod.rs(修改：调整 syscall 分发)
├── task
│   ├── action.rs(信号处理SignalAction的定义与缺省行为)
│   ├── mod.rs（信号处理相关函数）
│   ├── signal.rs（信号处理的信号值定义等）
│   └── task.rs(修改：在任务控制块中加入信号相关内容)
└── trap
├── mod.rs（进入/退出内核时的信号处理）

提纲

  1. 实验安排
  2. 代码结构

3. 管道的设计实现

  1. 信号的设计实现
管道的设计实现

基于文件抽象，支持I/O重定向

  1. [K] 实现基于文件的标准输入/输出
  2. [K] 实现基于文件的实现管道
  3. [U] 支持命令行参数
  4. [U] 支持 “|" 符号
标准输入/输出文件
  1. 实现基于文件的标准输入/输出
  • FD：0 -- Stdin ; 1/2 -- Stdout
  • 实现File 接口
    • read -> call(SBI_CONSOLE_GETCHAR)
    • write -> call(SBI_CONSOLE_PUTCHAR)
标准输入/输出文件初始化
  1. 创建TCB时初始化fd_table
TaskControlBlock::fork(...)->... {
  ...
  let task_control_block = Self {
      ...
          fd_table: vec![
              // 0 -> stdin
              Some(Arc::new(Stdin)),
              // 1 -> stdout
              Some(Arc::new(Stdout)),
              // 2 -> stderr
              Some(Arc::new(Stdout)),
          ],
...
fork实现中的标准文件创建
  1. fork时复制fd_table
TaskControlBlock::new(elf_data: &[u8]) -> Self{
  ...
    // copy fd table
    let mut new_fd_table = Vec::new();
    for fd in parent_inner.fd_table.iter() {
        if let Some(file) = fd {
            new_fd_table.push(Some(file.clone()));
        } else {
            new_fd_table.push(None);
        }
    }
管道文件
  1. 管道的系统调用
/// 功能：为当前进程打开一个管道。
/// 参数：pipe 表示应用地址空间中
/// 的一个长度为 2 的 usize 数组的
/// 起始地址，内核需要按顺序将管道读端
/// 和写端的文件描述符写入到数组中。
/// 返回值：如果出现了错误则返回 -1，
/// 否则返回 0 。
/// 可能的错误原因是：传入的地址不合法。
/// syscall ID：59
pub fn sys_pipe(pipe: *mut usize) -> isize;
管道文件
  1. 创建管道中的Buffer
pub struct PipeRingBuffer {
    arr: [u8; RING_BUFFER_SIZE],
    head: usize,
    tail: usize,
    status: RingBufferStatus,
    write_end: Option<Weak<Pipe>>,
}

make_pipe() -> (Arc<Pipe>, Arc<Pipe>) {
    let buffer = PipeRingBuffer::new();
    let read_end = Pipe::read_end_with_buffer();
    let write_end = Pipe::write_end_with_buffer();
    ...
    (read_end, write_end)
管道文件
  1. 实现基于文件的输入/输出
  • 实现File 接口
    fn read(&self, buf: UserBuffer) -> usize {
       *byte_ref = ring_buffer.read_byte();
    }
    fn write(&self, buf: UserBuffer) -> usize {  
      ring_buffer.write_byte( *byte_ref );
    }
exec系统调用的命令行参数
  • sys_exec 的系统调用接口需要发生变化
// 增加了args参数
pub fn sys_exec(path: &str, args: &[*const u8]) -> isize;
  • shell程序的命令行参数分割
// 从一行字符串中获取参数
let args: Vec<_> = line.as_str().split(' ').collect();
// 用应用名和参数地址来执行sys_exec系统调用
exec(args_copy[0].as_str(), args_addr.as_slice())
exec系统调用的命令行参数
  • 将获取到的参数字符串压入到用户栈上
impl TaskControlBlock {
 pub fn exec(&self, elf_data: &[u8], args: Vec<String>) {
   ...
   // push arguments on user stack
 }
  • Trap 上下文中的 a0/a1 寄存器，让 a0 表示命令行参数的个数，而 a1 则表示图中 argv_base 即蓝色区域的起始地址。
exec系统调用的命令行参数
pub extern "C" fn _start(argc: usize, argv: usize) -> ! {
   //获取应用的命令行个数 argc, 获取应用的命令行参数到v中
   //执行应用的main函数
   exit(main(argc, v.as_slice()));
}
重定向
  • 复制文件描述符系统调用
/// 功能：将进程中一个已经打开的文件复制
/// 一份并分配到一个新的文件描述符中。
/// 参数：fd 表示进程中一个已经打开的文件的文件描述符。
/// 返回值：如果出现了错误则返回 -1，否则能够访问已打
/// 开文件的新文件描述符。
/// 可能的错误原因是：传入的 fd 并不对应一个合法的已打
/// 开文件。
/// syscall ID：24
pub fn sys_dup(fd: usize) -> isize;
重定向
  • 复制文件描述符系统调用
pub fn sys_dup(fd: usize) -> isize {
  ...
  let new_fd = inner.alloc_fd();
  inner.fd_table[new_fd] = inner.fd_table[fd];
  newfd
}
shell重定向 "$ A | B"
// user/src/bin/user_shell.rs
{
  let pid = fork();
    if pid == 0 {  
        let input_fd = open(input, ...); //输入重定向 -- B 子进程
        close(0);                        //关闭文件描述符0
        dup(input_fd); //文件描述符0与文件描述符input_fd指向同一文件
        close(input_fd); //关闭文件描述符input_fd
        //或者
        let output_fd = open(output, ...);//输出重定向 -- A子进程
        close(1);                         //关闭文件描述符1
        dup(output_fd);//文件描述符1与文件描述符output_fd指向同一文件
        close(output_fd);//关闭文件描述符output_fd
    //I/O重定向后执行新程序
     exec(args_copy[0].as_str(), args_addr.as_slice()); 
    }...

提纲

  1. 实验安排
  2. 代码结构
  3. 管道的设计实现

4. 信号的设计实现

  • signal的系统调用
  • signal核心数据结构
  • 建立signal_handler
  • 支持kill系统调用
与信号处理相关的系统调用
  • sigaction: 设置信号处理例程
  • sigprocmask: 设置要阻止的信号
  • kill: 将某信号发送给某进程
  • sigreturn: 清除堆栈帧，从信号处理例程返回
与信号处理相关的系统调用
// 设置信号处理例程
// signum：指定信号
// action：新的信号处理配置
// old_action：老的的信号处理配置
sys_sigaction(signum: i32, 
   action: *const SignalAction,
   old_action: *const SignalAction) 
   -> isize

pub struct SignalAction {
    // 信号处理例程的地址
    pub handler: usize, 
    // 信号掩码
    pub mask: SignalFlags
}
与信号处理相关的系统调用
// 设置要阻止的信号
// mask：信号掩码
sys_sigprocmask(mask: u32) -> isize 

// 清除堆栈帧，从信号处理例程返回
 sys_sigreturn() -> isize

// 将某信号发送给某进程
// pid：进程pid
// signal：信号的整数码
sys_kill(pid: usize, signal: i32) -> isize
信号的核心数据结构

进程控制块中的信号核心数据结构

pub struct TaskControlBlockInner {
    ...
    pub signals: SignalFlags,     // 要响应的信号
    pub signal_mask: SignalFlags, // 要屏蔽的信号
    pub handling_sig: isize,      // 正在处理的信号
    pub signal_actions: SignalActions,       // 信号处理例程表
    pub killed: bool,             // 任务是否已经被杀死了
    pub frozen: bool,             // 任务是否已经被暂停了
    pub trap_ctx_backup: Option<TrapContext> //被打断的trap上下文
}
建立signal_handler
fn sys_sigaction(signum: i32, action: *const SignalAction, 
                          old_action: *mut SignalAction) -> isize {
  //保存老的signal_handler地址到old_action中
  let old_kernel_action = inner.signal_actions.table[signum as usize];
  *translated_refmut(token, old_action) = old_kernel_action;
 //设置新的signal_handler地址到TCB的signal_actions中
  let ref_action = translated_ref(token, action);
  inner.signal_actions.table[signum as usize] = *ref_action;

对于需要修改的信号编号signum：

  1. 保存老的signal_handler地址到old_action
  2. 设置action为新的signal_handler地址
通过kill发出信号
fn sys_kill(pid: usize, signum: i32) -> isize {
      let Some(task) = pid2task(pid);
      // insert the signal if legal
      let mut task_ref = task.inner_exclusive_access();
      task_ref.signals.insert(flag);
     ...

对进程号为pid的进程发送值为signum的信号：

  1. 根据pid找到TCB
  2. 在TCB中的signals插入signum信号值
通过kill发出和处理信号的过程

当pid进程进入内核后，直到从内核返回用户态前的执行过程：

执行APP --> __alltraps 
         --> trap_handler 
            --> handle_signals 
                --> check_pending_signals 
                    --> call_kernel_signal_handler
                    --> call_user_signal_handler
                       -->  // backup trap Context
                            // modify trap Context
                            trap_ctx.sepc = handler; //设置回到中断处理例程的入口
                            trap_ctx.x[10] = sig;   //把信号值放到Reg[10]
            --> trap_return //找到并跳转到位于跳板页的`__restore`汇编函数
       -->  __restore //恢复被修改过的trap Context，执行sret
执行APP的signal_handler函数
APP恢复正常执行

当进程号为pid的进程执行完signal_handler函数主体后，会发出sys_sigreturn系统调用:

fn sys_sigreturn() -> isize {
  ...
  // 恢复之前备份的trap上下文
  let trap_ctx = inner.get_trap_cx();
  *trap_ctx = inner.trap_ctx_backup.unwrap();
  ...
执行APP --> __alltraps 
       --> trap_handler 
            --> 处理 sys_sigreturn系统调用
            --> trap_return //找到并跳转到位于跳板页的`__restore`汇编函数
    -->  __restore //恢复被修改过的trap Context，执行sret
执行APP被打断的地方
屏蔽信号
fn sys_sigprocmask(mask: u32) -> isize {
    ...
    inner.signal_mask = flag;
    old_mask.bits() as isize
    ...

把要屏蔽的信号直接记录到TCB的signal_mask数据中

小结

  • 管道的概念与实现
  • 信号的概念与实现
  • 能写迅猛龙操作系统

迅猛龙Velociraptor具有匿踪能力和狡诈本领。迅猛龙比较聪明具有团队协作能力、擅长团队合作 操作系统

linux signal那些事儿 http://blog.chinaunix.net/uid-24774106-id-4061386.html

道格拉斯McIlroy (生于 1932年)是数学家,工程师和程序员. 自2007年他是附属教授电脑科学在麻省理工学院获得博士。 McIlroy为原始被开发是最响誉 Unix管道实施, 软件元件部分 并且数 Unix 用工具加工，例如电脑病毒， diff, 排序, 加入图表，讲话，和 tr.

https://venam.nixers.net/blog/unix/2016/10/21/unix-signals.html https://unix.org/what_is_unix/history_timeline.html https://en.wikipedia.org/wiki/Signal_(IPC)

![bg right:30% 100%](figs/user-stack-cmdargs.png)

![bg right:30% 100%](figs/user-stack-cmdargs.png)

![bg right:30% 100%](figs/user-stack-cmdargs.png)

https://www.onitroad.com/jc/linux/man-pages/linux/man2/sigreturn.2.html

https://www.onitroad.com/jc/linux/man-pages/linux/man2/sigreturn.2.html

https://www.onitroad.com/jc/linux/man-pages/linux/man2/sigreturn.2.html

killed的作用是标志当前进程是否已经被杀死。因为进程收到杀死信号的时候并不会立刻结束，而是会在适当的时候退出。这个时候需要killed作为标记，退出不必要的信号处理循环。 frozen的标志与SIGSTOP和SIGCONT两个信号有关。SIGSTOP会暂停进程的执行，即将frozen置为true。此时当前进程会阻塞等待SIGCONT（即解冻的信号）。当信号收到SIGCONT的时候，frozen置为false，退出等待信号的循环，返回用户态继续执行。

--- ### 课程实验四 文件系统与进程间通信 * 实验目标 * 硬链接 * 实验任务描述 * [rCore](https://learningos.github.io/rCore-Tutorial-Guide-2023A/chapter6/4exercise.html#id1) * [uCore](https://learningos.github.io/uCore-Tutorial-Guide-2023A/chapter6/5exercise.html#id3) * 实验提交要求 * 2023年11月26日；