IPC 协议

概述

OpenOS 采用基于 Channel 的同步消息传递 IPC 机制，灵感来自 seL4 和 Zircon（Fuchsia）。Channel 是双向、同步的消息管道，支持 Handle 传递。

Channel 架构

┌─────────────┐     消息        ┌─────────────┐
│   任务 A    │ ──────────────→ │   任务 B    │
│  (发送方)   │                 │  (接收方)   │
└─────────────┘                 └─────────────┘
       │                                │
       ▼                                ▼
   Handle A                         Handle B
   (End A)                          (End B)

核心概念

• Channel - 双向同步消息管道
• Handle - 不透明的能力令牌，引用内核对象
• Rights - 10 位权限位掩码
• Generation - 防止关闭后使用

Channel 操作

channel_create

创建一个新的 Channel，返回两端的 Handle。

fn channel_create(flags: u64) -> (handle_a: Handle, handle_b: Handle)

Handle 格式：

bits [0:31]   object_id   — 内核对象表索引
bits [32:47]  rights      — 能力权限位掩码
bits [48:63]  generation  — 防止关闭后使用

channel_send

发送消息。阻塞直到接收方调用 channel_receive。

fn channel_send(handle: u64, msg: *const u8, len: u64) -> i64

行为：

• 消息被复制到内核
• 如果接收方已阻塞在 channel_receive，消息立即传递
• 否则，发送方阻塞直到接收方准备好

channel_receive

接收消息。阻塞直到有消息可用。

fn channel_receive(handle: u64, buf: *mut u8, len: u64) -> u64

行为：

• 如果已有消息，立即返回
• 否则，阻塞直到有消息到达
• 返回实际接收的字节数

channel_call

原子性的发送 + 阻塞等待回复（RPC 原语）。

fn channel_call(handle: u64, msg: *const u8, len: u64) -> u64

行为：

1. 发送消息
2. 阻塞等待回复
3. 返回回复数据

超时： 可通过 flags 参数指定超时。

channel_reply

回复接收到的消息。解除调用方 channel_call 的阻塞。

fn channel_reply(handle: u64, msg: *const u8, len: u64) -> i64

重要规则：

• 必须对每个 channel_receive 调用 channel_reply
• 如果服务器崩溃而没有回复，内核自动发送 EPIPE 错误

Handle 操作

handle_close

关闭 Handle。如果这是最后一个引用，销毁对象。

fn handle_close(handle: u64) -> i64

handle_duplicate

克隆 Handle，可选择收窄权限。

fn handle_duplicate(handle: u64, new_rights: u64) -> u64

权限收窄： 新权限 = 原始权限 & new_rights

handle_transfer

通过 Channel 将 Handle 发送给另一个进程。

fn handle_transfer(handle: u64, target_channel: u64, rights: u64) -> i64

特性：

• Handle 被移动——在发送方不再有效
• 接收方获得新 Handle，权限 = 原始权限 & rights
• 单调特权递减——权限只能减少

同步模型

Channel 是同步和无缓冲的——send 阻塞直到 receive。三种模式处理并发：

模式 1：线程池（推荐）

// 服务器预先创建 N 个工作线程
loop {
    let msg = channel_receive(handle);
    let response = process(msg);
    channel_reply(handle, response);
}

模式 2：接受线程 + 分发

// 一个线程接受请求，分发到工作池
loop {
    let msg = channel_receive(handle);
    spawn(move || {
        let result = process(msg);
        channel_reply(handle, result);
    });
}

模式 3：内联处理

// 内核内部处理（用于简单服务）
// channel_send 触发内联处理

RPC 模式

基本 RPC

客户端                              服务器
  │                                    │
  │  channel_call(msg)                 │
  │  ─────────────────────────────→    │
  │                                    │  channel_receive()
  │                                    │  处理请求
  │                                    │  channel_reply(response)
  │  ←─────────────────────────────    │
  │  （解除阻塞）                      │

错误处理

// 服务器必须回复，即使在错误时
match process_request(msg) {
    Ok(response) => channel_reply(handle, response),
    Err(e) => channel_reply(handle, error_response(e)),
}

// 如果服务器崩溃，内核自动回复 EPIPE

Handle 传递

能力委托

// 进程 A 有 Memory Handle (READ | WRITE)
// 想给进程 B 只读访问

let (a_end, b_end) = channel_create(0);

// A 收窄权限并传递
handle_transfer(memory_handle, a_end, READ);
// memory_handle 在 A 中无效

// B 接收 Handle
let msg = channel_receive(b_end);
let shared_mem = received_handles[0]; // 只有 READ 权限

权限收窄规则

原始 Handle:  READ | WRITE | TRANSFER | MAP
传递 Rights:  READ | MAP
──────────────────────────────
接收方获得:    READ | MAP   （交集）

服务发现

每进程命名空间

每个进程有自己的服务命名空间，由父进程填充。

// 父进程
let (server, client) = channel_create(0);
endpoint_register("console", server);

// 传递给子进程
handle_transfer(client, child_channel, READ | WRITE);

// 子进程
let console = endpoint_discover("console");
channel_call(console, msg);

与旧实现的对比

方面	旧实现（端口）	新实现（Channel）
IPC 原语	端口 + 消息	Channel + Handle
同步性	异步发送	同步会合
能力模型	无	Handle + Rights
Handle 传递	不支持	支持
RPC	手动实现	channel_call 原语
命名空间	全局端口表	每进程命名空间

实现状态

功能	状态	说明
channel_create	[done] 完成	创建 Channel
channel_send	[done] 完成	发送消息
channel_receive	[done] 完成	接收消息
channel_call	[done] 完成	原子 RPC
channel_reply	[done] 完成	回复消息
handle_close	[done] 完成	关闭 Handle
handle_duplicate	[done] 完成	克隆 Handle
handle_transfer	[done] 完成	传递 Handle
用户空间服务	[done] 完成	console_svc.elf
endpoint_register	[plan] 计划中	服务注册
endpoint_discover	[plan] 计划中	服务发现

相关文档

• 系统调用参考 - 完整的系统调用接口
• Handle 与 Rights - 能力系统详细设计
• Channel IPC - Channel 通信机制设计