写在前面
相信做iOS开发或者Mac开发的同学或多或少都听过或者使用过Mach端口（Mach port），笔者也是在了解runloop机制的时候，决定系统的学习一下Mach port相关的知识。以下内容实际上是从《深入解析Mac OS X & iOS操作系统》这本书中挑出来的一些精华并将其归纳成了要点。如果大家在阅读的时候有不懂得地方，建议去读原著。如果不想翻阅那本大部头的书籍，只想了解要点，也可以访问我的博客。下面就开始Mach消息的旅程。
1. Mach概述
1.1 Mach设计原则
- 在Mach中所有东西（Task、线程、虚拟内存等））都是对象。
- 对象与对象之间通信只能通过端口收发消息。
1.2 Mach设计目标
内核为了保持极简，只做如下的事情：
- “控制点”或执行单元的管理。
- 线程或线程组（Task）的资源分配。
- 虚拟内存的分配和管理。
- 底层物理资源--即CPU、内存和任何物理设备的分配。
2. Mach消息
2.1 简单消息
最基本的包含两部分：消息头、消息体。可以选择性的添加消息尾。结构如下：
typedef struct
{
mach_msg_bits_t msgh_bits;//标志位
mach_msg_size_t msgh_size;//大小
mach_port_t msgh_remote_port;//目标端口（发送：接受方，接收：发送方）
mach_port_t msgh_local_port; //源端口（发送：发送方，接收：接收方）
mach_port_name_t msgh_voucher_port;
mach_msg_id_t msgh_id;
} mach_msg_header_t; //消息头
typedef struct
{
mach_msg_size_t msgh_descriptor_count;
} mach_msg_body_t;//消息体
typedef struct
{
mach_msg_header_t header;
mach_msg_body_t body;
} mach_msg_base_t; //基本消息
typedef unsigned int mach_msg_trailer_type_t;//消息尾的类型
typedef struct
{
mach_msg_trailer_type_t msgh_trailer_type;
mach_msg_trailer_size_t msgh_trailer_size;
} mach_msg_trailer_t; //消息尾
2.2 复杂消息
将消息头的标志位mach_msg_bits_t设置为MACH_MSGH_BITS_COMPLEX，就表示复杂消息。此时消息体里面指定了描述符的个数，接下来就是一个接着一个的描述符：
typedef struct
{
uint64_t address;//数据的大小
boolean_t deallocate: 8;//发送之后是否接触分配
mach_msg_copy_options_t copy: 8;//复制指令
unsigned int pad1: 8;
mach_msg_descriptor_type_t type: 8;
mach_msg_size_t size;//数据的大小
} mach_msg_ool_descriptor64_t;
2.3 消息收发
消息的收发在用户态都是通过如下方法进行的：
extern mach_msg_return_t mach_msg(
mach_msg_header_t *msg,
mach_msg_option_t option,//可以设置为收消息还是发消息等类型
mach_msg_size_t send_size,
mach_msg_size_t rcv_size,
mach_port_name_t rcv_name,
mach_msg_timeout_t timeout,
mach_port_name_t notify);
2.4 端口
端口实际上就是一个整型的标识符，是如下结构（在osfmk/ipc/ipc_port.h中定义）的一个句柄：
struct ipc_port {
/*
* Initial sub-structure in common with ipc_pset
* First element is an ipc_object second is a
* message queue
*/
struct ipc_object ip_object;
struct ipc_mqueue ip_messages;
natural_t ip_sprequests:1, /* send-possible requests outstanding */
ip_spimportant:1, /* ... at least one is importance donating */
ip_impdonation:1, /* port supports importance donation */
ip_tempowner:1, /* dont give donations to current receiver */
ip_guarded:1, /* port guarded (use context value as guard) */
ip_strict_guard:1, /* Strict guarding; Prevents user manipulation of context values directly */
ip_reserved:2,
ip_impcount:24; /* number of importance donations in nested queue */
union {
struct ipc_space *receiver;
struct ipc_port *destination;
ipc_port_timestamp_t timestamp;
} data;
union {
ipc_kobject_t kobject;
ipc_importance_task_t imp_task;
uintptr_t alias;
} kdata;
struct ipc_port *ip_nsrequest;
struct ipc_port *ip_pdrequest;
struct ipc_port_request *ip_requests;
struct ipc_kmsg *ip_premsg;
mach_vm_address_t ip_context;
mach_port_mscount_t ip_mscount;
mach_port_rights_t ip_srights;
mach_port_rights_t ip_sorights;
#if MACH_ASSERT
#define IP_NSPARES 4
#define IP_CALLSTACK_MAX 16
/* queue_chain_t ip_port_links;*//* all allocated ports */
thread_t ip_thread; /* who made me? thread context */
unsigned long ip_timetrack; /* give an idea of "when" created */
uintptr_t ip_callstack[IP_CALLSTACK_MAX]; /* stack trace */
unsigned long ip_spares[IP_NSPARES]; /* for debugging */
#endif /* MACH_ASSERT */
} __attribute__((__packed__));
2.5 Mach接口生成器（MIG）
Mach消息传递模型是远程调用（Remote Procedure Call，RPC）的一种现实(类似Thrift)。在/usr/include/mach目录下可以看到一些.defs文件，这些文件包含了Mach子系统（一组操作）的定义。操作类型如下：
IG_opt.png
3. 深入IPC
- Mach的每个Task都包含一个指针，这个指针指向一个IPC命名空间，这个IPC命名空间了包含了Task的端口，当然Task还可以获取系统范围的端口，例如：主机端口、特权端口（可以重启机器等）等。
- 在用户态下，消息传递都是通过
mach_msg()函数实现的，这个函数会触发一个mach陷阱mach_msg_trap()，接下来mach_msg_trap()又会调用mach_msg_overwrite_trap()，它会通过MACH_SEND_MSG和MACH_RCV_MSG来判断是发送操作，还是接收操作。 - 期中内核态中还可以通过
mach_msg_receive()和mach_msg_send()来收发数据。
4. 同步原语
4.1 锁的实现方式
- 阻塞：如果锁对象被其他线程所持有，那么请求访问的线程就会被加入到等待队列中，因而被阻塞。这就意味着被阻塞的线程放弃了时间片，调度器会将CPU让给下一个执行的的线程。当锁可用的时候，调度器会得到通知，然后根据情况将线程从等待队列取出来，并重新调度。
- 忙等：线程不放弃CPU时间片，而是继续重复的尝试访问所对，直到锁可用。
- 阻塞与忙等的对比：当锁只持续短短几个周期的时候，阻塞会带来性能问题，因为至少会消耗两次上下文切换的时间。因此如果锁的持续时间短，应该采用忙等形式的锁对象，反之就采用阻塞形式的锁对象。
4.2 互斥体(lck_mtx_t)（阻塞）
- 互斥体其实就是一个内核中的一个不同的变量，通常是机器字节大小的整数，但是必须要求硬件能对这些变量进行原子操作。
- 原子的意思就是：对互斥体的操作不能打断，即使是硬件中断也不能打断。
4.3 信号量(semaphore_t)（阻塞）
信号量在初始化的时候可以设置一个大于零的初始值。信号量包含两个操作：一个是+1操作，一个是-1操作，当值大于0表示锁可用，当值小于等于0的时候表示锁不可用。互斥体可以看做是初始值为1的信号量。
4.4 自旋锁(hw_lock_t)（忙等）
一种采用忙等形式的锁。
4.5 读写锁(hw_lock_t)（阻塞）
当多个线程对资源只做只读的操作，这种情况下这些线程并不会相互影响。为了提高效率，读写锁就应运而生了。读写锁能够区分是读访问还是写访问，对个读者可以同时持有锁，但一次只能一个写者持有锁。
4.6 锁集(lock_set_t)
锁集就是锁的一个数组。
5. 机器原语
5.1 主机对象（Host）
主机就是一组“特殊”端口的集合，以及一组异常处理程序的集合，同时定义了一个锁用于保护异常处理的并发访问。结构如下：
struct host {
decl_lck_mtx_data(,lock) /* lock to protect exceptions */
ipc_port_t special[HOST_MAX_SPECIAL_PORT + 1];
struct exception_action exc_actions[EXC_TYPES_COUNT];
};
5.2 时钟对象（Clock）
Mach内核提供了一个简单的“时钟”对象（在osfmk/kern/clock.h中定义）的抽象，这个对象用于计时和闹铃，期中最重要的内部API是clock_deadline_for_periodic_event（），调度器通过它设置了一个重复发生的通知--从而保证了多任务引擎的运转。
5.3 处理器对象（Processer）
在多核架构中每一个核心都可以看做是一个CPU，处理器被分配给处理器集，处理器是CPU的简单抽象，被Mach用于一些基本的操作，比如：启动和关闭一个CPU，向CPU分发要执行的线程。结构的定义（在osfmk/kern/processor.h）如下：
struct processor {
queue_chain_t processor_queue;/* idle/active queue link,
* MUST remain the first element */
int state; /* See below */
boolean_t is_SMT;
boolean_t is_recommended;
struct thread
*active_thread, /* thread running on processor */
*next_thread, /* next thread when dispatched */
*idle_thread; /* this processor's idle thread. */
processor_set_t processor_set; /* assigned set */
int current_pri; /* priority of current thread */
sched_mode_t current_thmode; /* sched mode of current thread */
sfi_class_id_t current_sfi_class; /* SFI class of current thread */
int cpu_id; /* platform numeric id */
timer_call_data_t quantum_timer; /* timer for quantum expiration */
uint64_t quantum_end; /* time when current quantum ends */
uint64_t last_dispatch; /* time of last dispatch */
uint64_t deadline; /* current deadline */
boolean_t first_timeslice; /* has the quantum expired since context switch */
#if defined(CONFIG_SCHED_TRADITIONAL) || defined(CONFIG_SCHED_MULTIQ)
struct run_queue runq; /* runq for this processor */
#endif
#if defined(CONFIG_SCHED_TRADITIONAL)
int runq_bound_count; /* # of threads bound to this processor */
#endif
#if defined(CONFIG_SCHED_GRRR)
struct grrr_run_queue grrr_runq; /* Group Ratio Round-Robin runq */
#endif
processor_t processor_primary; /* pointer to primary processor for
* secondary SMT processors, or a pointer
* to ourselves for primaries or non-SMT */
processor_t processor_secondary;
struct ipc_port * processor_self; /* port for operations */
processor_t processor_list; /* all existing processors */
processor_data_t processor_data; /* per-processor data */
};
其中最重要的是runq，这是分发到这个处理器的线程队列。
5.3 处理器集
处理器集就是一个或多个processor_t的分组，也被称为pset。pset通常维护三个队列：
-
active_queue：用于保存当前正在执行线程的CPU。 -
idle_queue：用于保存当前空闲的CPU（例如：正在执行idle_thread）。 -
pset_runq：保存了在这个集合中的所有CPU上执行的线程。
processor_set的定义如下：
struct processor_set {
queue_head_t active_queue; /* active processors */
queue_head_t idle_queue; /* idle processors */
queue_head_t idle_secondary_queue; /* idle secondary processors */
int online_processor_count;
int cpu_set_low, cpu_set_hi;
int cpu_set_count;
#if __SMP__
decl_simple_lock_data(,sched_lock) /* lock for above */
#endif
#if defined(CONFIG_SCHED_TRADITIONAL) || defined(CONFIG_SCHED_MULTIQ)
struct run_queue pset_runq; /* runq for this processor set */
#endif
#if defined(CONFIG_SCHED_TRADITIONAL)
int pset_runq_bound_count;
/* # of threads in runq bound to any processor in pset */
#endif
/* CPUs that have been sent an unacknowledged remote AST for scheduling purposes */
uint64_t pending_AST_cpu_mask;
#if defined(CONFIG_SCHED_DEFERRED_AST)
/*
* A seperate mask, for ASTs that we may be able to cancel. This is dependent on
* some level of support for requesting an AST on a processor, and then quashing
* that request later.
*
* The purpose of this field (and the associated codepaths) is to infer when we
* no longer need a processor that is DISPATCHING to come up, and to prevent it
* from coming out of IDLE if possible. This should serve to decrease the number
* of spurious ASTs in the system, and let processors spend longer periods in
* IDLE.
*/
uint64_t pending_deferred_AST_cpu_mask;
#endif
struct ipc_port * pset_self; /* port for operations */
struct ipc_port * pset_name_self; /* port for information */
processor_set_t pset_list; /* chain of associated psets */
pset_node_t node;
};
最后
以上只是介绍了Mach消息的一些原语，如需更详细的了解Mach消息的一些应用可以去阅读《深入解析Mac OS X & iOS操作系统》这本书，或者留意本人接下来得要点总结也可以直接访问我的博客。
