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Linux 内核 IPC 通信源码分析-消息队列

Linux 内核 IPC 通信源码分析-消息队列

简介

目的

本文对最新的 Linux-4.19.4 内核源码进行分析,并详细指出内核 IPC 机制中的消息队列的原理。

进程间通信

IPC(进程间通信,InterProcess Communication)是内核提供的系统中进程间进行通信的一种机制。系统中每个进程的用户地址空间互不干扰,所以需要内核来提供进程之间进行通信机制。

进程间通信的七种方式:
– 管道/匿名管道 (PIPE)
– 有名管道 (FIFO)
– 信号 (Signal)
– 消息 (Message) 队列
– 共享内存 (Share Memory)
– 信号量 (Semaphore)
– 套接字 (Socket)

消息队列简介

消息队列是消息的链接表,包括 Posix 消息队列和 System V 消息队列。消息队列克服了信号承载信息量少、管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点,克服了早期 Lunix 通信机制的一些缺点。消息队列将消息看作一个记录,具有特定的格式以及特定的优先级,对消息队列有写权限的进程可以向中按照一定的规则添加新消息;对消息队列有读权限的进程则可以从消息队列中读取消息,消息队列是随内核持续的。

源码分析

重要文件

  • ./ipc/msg.c
  • ./ipc/msgutil.c
  • ./ipc/mqueue.c

数据结构

总体结构见图:

上图描述一个消息队列的数据结构。

q_messages

消息队列的 q_messages 字段指向一个消息的链表,这里面存放着等待读取的消息。每个 msg_msg 结构占有一个页(若消息小于一个则只占用消息大小 + msg_msg 数据结构大小),页头部为 msg_msg 数据结构,剩余为数据区。若消息超过一个页,剩余消息会存放在页头为 msg_msgseg 数据结构的页中。因此对于 n 个页,设页大小的 M,struct msg_msg 结构大小为 a,msg_msgseg 数据结构的大小为 b,n 个页最大能用于存储数据的空间为:n*M – a – b *(n-1),每页最大值为 2^13 (8192)。

q_receiver

指向一个 sleeping 的接收者链表,这个链表上每个结构都指向一个等待接受的进程(阻塞),等待消息队列被写入它需要的信息。

q_senders

指向一个 sleeping 发送者链表,这个链表上每个结构都指向一个等待发送消息的进程(阻塞),等待消息队列可以让它写入的信息。

msg_msg 数据结构

每个 msg_msg 代码进程放入到队列中一个数据。

msg_msgseg 数据结构

用于存储 msg_msg 中溢出的数据。

msg_receiver

消息队列中睡眠的接受者进程数据结构。

msg_sender

消息队列中睡眠的发送者进程数据结构。

函数调用

系统调用通用定义

早前 64 位的 Linux 有一个名为 CVE-2009-2009 的漏洞,所以新版本的 Linux 在调用这些函数的时候外加了一层封装 SYSCALL_DEFINEx。例如虽然在程序上层可以直接调用 msgsnd(msqid,&msgs,sizeof(struct msgstru),IPC_NOWAIT) 这样的形式来发送消息,但是在底层是用以下的形式来调用 :

对于 SYSCALL_DEFINE4,首个变量用于函数名,剩下的偶数对参数,依次代表参数类型与参数变量。SYSCALL_DEFINEx,随后的 x 就是对于不同的参数的个数。

SYSCALL_DEFINEx 的定义和它具体调用的方法中 ## 是连接符,直接将参数的原来的字符替换为 ## 后的占位符。VA_ARGS 代表前面 … 里面的可变参数最后调用了__do_sys##name 的方法,在后面加上大括号就是一个函数的具体定义了。

msgget 函数

该函数用于获得一个消息队列,内核从指定 IPC_namespace 对应的 IPC_ids 获取相应键值的消息队列,如果没有的话就会新建一个队列。

msgsnd 函数

该函数用于向指定消息队列中发送信息,该函数会将消息插入到链表尾部。函数还会将信息发送到队列关联的 sleep 接收者

msgrcv 函数

该函数用于从指定消息队列中接收信息,如果队列中没有消息,就会将进程加入到休眠进程列表中,等待队列中有新的消息加入。

本文作者:冯杰

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