Chromium源码阅读：深入理解Mojo框架的设计思想，并掌握其基本用法（1）

2024-06-13 06:04
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本文主要是介绍Chromium源码阅读：深入理解Mojo框架的设计思想，并掌握其基本用法（1），希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

Mojo简介

Mojo 是一个运行时库的集合，提供与平台无关的通用 IPC 原语抽象、消息 IDL 格式以及具有针对多种目标语言的代码生成的绑定库，以便于跨任意进程间和进程内边界传递消息。
Mojo 分为清晰分离的层，子组件的基本层次结构如下：

请添加图片描述

分析Mojo之前，我们的思考

笔者在阅读源码前，喜欢会去思考，“如果让我来设计一个类似的功能的模块，我会怎么设计？”。然后对比文档去思考为什么会出现思路的差异，这种方式可以让我快速掌握一个开源库的设计精髓。
这次也是一样，我们想想，如果是我们自己设计Mojo，这会是什么样的架构和过程。

  1. 首先，Mojo是跨平台的，那么必然有一层platform的平台差异屏蔽层；
  2. 其次，跨进程通信在不同平台上的最佳实现方案可能不一样，例如有的平台是管道，有的平台是共享内存，具体如何选择取决于不同平台的性能差异，因此，我必须将跨平台通信细节进行抽象，提取出一些概念，用于描述通信的应用层细节。
  3. 之后，两个进程之间的通信之前，需要先建立连接，因此必然也需要定义一组规则和概念，来描述连接的应用层细节。
  4. 为了增加通信的灵活性，我们可以定义一组观察者或者过滤器的规则，可以实现对数据流的监测和量化，也能实现更灵活的扩展。因此我们需要定义一组规则和概念来实现这个目标。
  5. 为了让跨平台通信框架更加易于使用，我们需要提供一套序列化和反序列化的框架，这样可以让通信以自定义结构体的形式进行，而非数据流。
  6. 如果存在大量的通信消息，那么我们需要解决不同进程共享头文件，使用自定义结构体的形式；另外，Mojo除了跨平台，还需要夸语言，那么，我们必然不能使用某种语言的结构体定义形式（例如C的结构体或者JavaScript友好的Json），而是需要定义一种新的规则，通过工具自动生成不同语言友好的结构体源码。

上面的5和6本质上可以看作是同一个问题，并且我首先想到的是protobuffer库可以实现这两个问题的解法。

带着我们自己的设计思路，再去看看Mojo的设计方案。

的Mojo方案：

源码目录体积一览：

在这里插入图片描述
源码重要文件一览（排除test源文件，按大小排序，top的文件如下图）：
在这里插入图片描述
一般来说，体积大的源文件表示的功能都比较核心，因此这些文件里面对应的功能和概念，很大概率是Mojo框架的核心，值得每一项进行标注理解。

Mojo的底层Channel

在Mojo中的源码中，可以很明显的发现关键字Channel是最底层跨进程通信的关键概念，并且能找到平台相关的抽象和实现，直接搜索文件名关键字就一览无余了：
在这里插入图片描述

channel.h

看了一眼mojo\core\channel.h可以发现，抽象基类是mojo::core::Channel, 并且定义了许多核心概念，包括Message（A message to be written to a channel.）、Delegate（ // Delegate methods are called from the I/O task runner with which the Channel
was created (see Channel::Create). 关键回调OnChannelMessage）等。
不同平台通过继承抽象基类mojo::core::Channel实现平台相关的读写，以mojo\core\channel_win.cc的ChannelWin为例，使用Win32API的ReadFile、WriteFile从base::win::ScopedHandle句柄中读写数据，这个句柄是构造函数的参数ConnectionParams（TakeEndpoint().TakePlatformHandle().TakeHandle()）传入的获取的。

channel相关的重点类解析

  • PlatformChannel
    是一个封装了两个交织在一起的端点的类或结构，这些端点属于特定平台的基本通信原语，比如在Windows上是管道，在Unix系统上是域套接字，在macOS上是Mach端口对。其中一个端点被指定为“本地”端点，由创建它的进程保留；另一个端点被指定为“远程”端点，应当传递给外部的进程。

  • PlatformChannel 可以用来在两个进程之间启动Mojo IPC（一种进程间通信机制）。通常情况下另一个进程是当前进程的子进程，PlatformChannel
    提供辅助方法来将端点以这种方式传递给子进程；但这种设置在所有平台上并不是强制性的。
    如果需要一个允许客户端通过名称来连接的通道（比如一个命名管道或者套接字服务器，这种类型仅在Windows和POSIX系统上被支持），那么可以参考
    NamedPlatformChannel。

  • PlatformChannelServer 这个类负责持有一个 PlatformChannelServerEndpoint 实例，并监听一个单一的来自客户端的连接请求。这个类不是线程安全的，必须在运行I/O消息泵（Message Pump）的线程上使用。

  • PlatformChannelServer 和PlatformChannel 对比： 简而言之，PlatformChannel 负责创建和管理进程间通信的通道，而 PlatformChannelServer
    则是在服务端监听和接受这些通道上的连接请求。PlatformChannel 可以看作是连接的“管道”，而 PlatformChannelServer 是“水龙头”，控制着连接的开启。

  • PlatformHandle平台句柄类，它带有一些额外的类型信息，用来表明它是一个通道端点（channel endpoint）。也就是说，它是一种句柄，可以被用来作为 MOJO_INVITATION_TRANSPORT_TYPE_CHANNEL
    发送或接收邀请到一个远程的 PlatformChannelEndpoint。

结合调用堆栈：

Channel的创建：
在这里插入图片描述
Channel的发送消息：
在这里插入图片描述
通过调用堆栈可以发现，Channel的概念几乎是Mojo最底层的概念了，往上走有Router、InterfaceEndpointClient、Message、ChannelMojo概念等。以下是从最底层到更高层的一些核心概念及其作用的介绍：

  1. Channel:
    Channel 是 Mojo IPC 系统中最底层的抽象。它代表了一个底层的通信通道，负责在两个进程之间传输原始的字节数据。Channel 封装了操作系统级别的 IPC 机制（如套接字或共享内存），以便在不同的平台上提供一致的 API。它负责序列化和反序列化消息，保证数据的完整性，并处理底层的传输细节。

  2. Router:
    Router 位于 Channel 之上，是一个稍高层次的抽象。它负责将发出的消息路由到正确的 Channel，并从 Channel 接收消息。Router 还管理消息的生命周期，确保消息按照正确的顺序发送和接收，并可能处理流控制和重试逻辑。

  3. InterfaceEndpointClient:
    InterfaceEndpointClient 是 Mojo IPC 中的一个组件，它代表了 Mojo 接口的端点。它与 Router 配合，以便在 Mojo 接口上发送和接收消息。通常，每个 Mojo 接口都有一个或多个方法，这些方法对应于可以通过该端点发送的消息类型。InterfaceEndpointClient 会序列化这些方法调用为消息，并将它们传递给 Router 进行传输。

  4. Message:
    Message 是代表 IPC 系统中传递的一个消息实体。它通常包含要传输的数据（例如，方法调用的参数），以及可能的元数据（例如，消息类型或优先级）。在 Mojo IPC 中，Message 是发送和接收的基本单位，由 Router 和 Channel 处理。

  5. ChannelMojo:
    ChannelMojo 是 Channel 的一个具体实现，它利用 Mojo 系统的底层管道（如 MessagePipe）来传输数据。ChannelMojo 提供了一个适应 Mojo 管道特性的 Channel 接口，使得上层的 Router 和 InterfaceEndpointClient 能够通过 Mojo 管道发送和接收消息。

这些概念共同构成了 Mojo IPC 系统的框架，其中每个层次都建立在下一个层次之上，提供了逐步更高级别的抽象和功能。开发者可以根据需要选择在哪个层次上与 IPC 系统交互，从直接使用 Channel 的字节级操作，到通过 InterfaceEndpointClient 的接口级调用。

Mojo的Node

在源码一览中，我们发现node.cc是最大的源文件，我们以此为线索展开对Node的理解和阅读，Node相关文件有：
在这里插入图片描述
Node.h中，NodeChannel是一个核心，注释只有一句：Wraps a Channel to send and receive Node control messages.：

// Wraps a Channel to send and receive Node control messages.
class MOJO_SYSTEM_IMPL_EXPORT NodeChannel: public base::RefCountedDeleteOnSequence<NodeChannel>,public Channel::Delegate {public:// .... 略

由此可见，Channel 是一种底层概念，用于抽象化和平滑处理不同平台之间的差异，而 Node 概念则在 Channel 的基础上进行了进一步的封装和抽象化。NodeChannel用于定义 Mojo 中与连接、广播、中介（Broker）、消息传输以及错误处理相关的实现细节。如果用计算机网络的术语进行类比，那么 Channel 类似于网络协议栈中的 IP 层，它提供了寻址和路由的能力；而 NodeChannel则相当于应用层的协议，例如 UDP，它在更高层次上处理数据的传输和相关逻辑。

那么，可以预见，Mojo的应用层概念将围绕Node为核心展开。

从上面代码中我们发现，NodeChannel中有个重要的嵌入类：Delegate。Delegate的概念在chromium广泛存在，其实可以理解为Delegate就是一组回调，在宿主对象处理逻辑的关键节点时，通过Delegate回调转移执行绪，以实现行为的定制和扩展的能力。 通过了解Delegate回调的函数组成，可以快速了解宿主类的主要功能和关键流程，是阅读源码的重要技巧。例如NodeChannel的Delegate的类定义如下：

 class Delegate {public:virtual ~Delegate() = default;virtual void OnAcceptInvitee(const ports::NodeName& from_node,const ports::NodeName& inviter_name,const ports::NodeName& token) = 0;virtual void OnAcceptInvitation(const ports::NodeName& from_node,const ports::NodeName& token,const ports::NodeName& invitee_name) = 0;virtual void OnAddBrokerClient(const ports::NodeName& from_node,const ports::NodeName& client_name,base::ProcessHandle process_handle) = 0;virtual void OnBrokerClientAdded(const ports::NodeName& from_node,const ports::NodeName& client_name,PlatformHandle broker_channel) = 0;virtual void OnAcceptBrokerClient(const ports::NodeName& from_node,const ports::NodeName& broker_name,PlatformHandle broker_channel,const uint64_t broker_capabilities) = 0;virtual void OnEventMessage(const ports::NodeName& from_node,Channel::MessagePtr message) = 0;virtual void OnRequestPortMerge(const ports::NodeName& from_node,const ports::PortName& connector_port_name,const std::string& token) = 0;virtual void OnRequestIntroduction(const ports::NodeName& from_node,const ports::NodeName& name) = 0;virtual void OnIntroduce(const ports::NodeName& from_node,const ports::NodeName& name,PlatformHandle channel_handle,const uint64_t remote_capabilities) = 0;virtual void OnBroadcast(const ports::NodeName& from_node,Channel::MessagePtr message) = 0;
#if BUILDFLAG(IS_WIN)virtual void OnRelayEventMessage(const ports::NodeName& from_node,base::ProcessHandle from_process,const ports::NodeName& destination,Channel::MessagePtr message) = 0;virtual void OnEventMessageFromRelay(const ports::NodeName& from_node,const ports::NodeName& source_node,Channel::MessagePtr message) = 0;
#endifvirtual void OnAcceptPeer(const ports::NodeName& from_node,const ports::NodeName& token,const ports::NodeName& peer_name,const ports::PortName& port_name) = 0;virtual void OnChannelError(const ports::NodeName& node,NodeChannel* channel) = 0;};

通过这个代理类，就能很直观地理解NodeChannel的功能和作用。

mojo的Port

在阅读NodeChannel类的时候，有一个关键字出现了多次，那就是port。在Mojo中，port是一个命名空间，也是一个重要概念，port这个类的头文件注释如下：

在 Mojo IPC 系统中，“Port”本质上是一个地址的循环列表中的一个节点。为了本文档的目的，这样的列表将被称为“路由”（route）。路由是所有 Node 事件流通的基本媒介，因此是所有 Mojo 消息传递的骨干。
每个 Port 都由一个节点（参见 node.h）内的 128 位地址唯一标识。Port 本身并不真正“做”任何事情：它是一系列状态的命名集合，而拥有它的 Node 管理所有事件的产生、传输、路由和处理逻辑。有关 Port 如何被用来传输任意用户消息以及其他 Ports 的更多细节，请参见 Node。
Ports 可以处于几种状态（见下面的 State），这些状态决定了它们如何响应以它们为目标的系统事件。在最简单和最常见的情况下，Ports 最初是作为一对纠缠在一起的状态（即由两个 Ports 组成的简单循环）创建的，都处于 kReceiving 状态。我们这里将这些 Ports 标为 |A| 和 |B|，它们可以使用 Node::CreatePortPair() 创建：

    +-----+          +-----+|     |--------->|     ||  A  |          |  B  ||     |<---------|     |+-----+          +-----+

|A| 通过 |peer_node_name| 和 |peer_port_name| 引用 |B|，同时 |B| 反过来引用
|A|。请注意，一个 Node 永远不会知道是谁向给定的 Port 发送事件；它只知道必须从给定的 Port 路由事件到哪里。
为了方便文档描述，我们将路由中的一个接收端 Port 称为另一个的“共轭”（conjugate）。一个接收端 Port 的共轭在初始创建时也是它的对端，但由于代理，这种关系可能随着时间而改变。 对这个数据结构的所有访问必须通过获取 |lock_|来进行保护，这只能通过 PortLocker 实现。PortLocker 确保在单个线程上重叠的 Port 锁获取总是以全局一致的顺序进行。

通过头文件注释，感觉似懂非懂，看看Port这个类的主要成员和方法吧：

Port 类是 Mojo IPC 系统中的一个核心组件，它代表了消息传递路径上的一个节点。这个类继承自
base::RefCountedThreadSafe<Port>，允许它在多个线程中安全地共享和管理其生命周期。以下是 Port
类的主要功能和特性：

  • State 枚举：定义了 Port 可能处于的状态，包括 kUninitialized（未初始化）、kReceiving（接收中）、kBuffering（缓冲中）、kProxying（代理中）和
    kClosed（已关闭）。
  • state 成员变量：存储当前 Port 的状态。
  • peer_node_name 和 peer_port_name 成员变量：指定了事件应该从该 Port 路由到哪个节点和端口的地址。
  • prev_node_name 和 prev_port_name 成员变量：跟踪当前发送消息到这个 Port 的上一个端口，用于验证发送方节点是否有权限发送消息到这个端口，同时保持接收消息的顺序。
  • pending_merge_peer 成员变量：标记这个端口是否准备合并。
  • 一系列的序列号成员变量（next_control_sequence_num_to_send、next_sequence_num_to_send
    等）：用于跟踪控制和用户消息事件的序列号。
  • message_queue 成员变量：存储该 Port 接收到的用户消息队列。此队列只为 kBuffering 或 kReceiving 状态的 Port 提供服务。
  • control_message_queue 成员变量：在 Port 处于 kBuffering 状态时，暂存即将发送的控制消息。
  • send_on_proxy_removal 成员变量：在某些边缘情况下，如果这个（代理中的）Port 被销毁，它可能需要记得路由一个特殊的事件。
  • user_data 成员变量：附加到 Port 的任意用户数据。在 Mojo 中，这通常用于存储通知有关 Port 状态变化的观察者接口。
  • remove_proxy_on_last_message 和 peer_closed 成员变量：标志位，用于指示 Port 的一些状态，如代理何时可以移除，以及它的对端 Port 是否已关闭。
  • Port 构造函数：用于初始化 Port，设置初始的序列号。
  • AssertLockAcquired 方法：用于调试中检查是否已获取 Port 的锁。
  • IsNextEvent 方法：检查给定的事件是否应该根据序列号和发送方节点接下来处理。
  • NextEvent 方法：获取下一个要处理的缓冲事件。
  • BufferEvent 方法：将事件缓存以供后续处理。>
  • TakePendingMessages 方法：清空等待节点验证的事件队列，并返回所有用户事件。
  • 私有析构函数 ~Port：确保 Port 只能通过引用计数安全地销毁。
  • 私有成员 lock_：用于确保对 Port 数据结构的线程安全访问。
  • PortLocker 友元类：用于确保在单个线程上以全局一致的顺序获取重叠的 Port 锁。
    该类的设计允许它在 Mojo IPC 系统中作为消息的发送和接收点，管理消息的顺序和状态，并确保消息在正确的路径上流动。

结合其他源码，发现Port和Dispatcher相关逻辑结合紧密，另外，Port存储了Event的序号等数据信息，支持插入事件，并且许多数据成员用于Node.cc中实现消息处理，可见Port这个类做的事情确实很难和已有的概念类比出来，也难怪通过这个类的注释难以一下理解其作用。简而言之，Port这个类即负责一部分事件排序和派发相关的逻辑处理，也承载了一个寻址的功能。

在 Mojo IPC 系统中，Node 通常代表了一个独立的参与者，如一个进程，它是消息传递路径上的一个物理节点。Node 可以是消息的最初发送者或最终接收者。相比之下，Port 是 Node 内部的逻辑上的虚拟节点，它负责管理消息的复杂路由、转发以及过滤等操作。每个 Port 都由其所属的 Node 管理，并且可以与其他 Node 中的 Port 形成连接，从而构成消息传递的网络。
之所以这样设计，是为了让两个Node之间可以出现多个连接，每个连接就是一对“共轭”的Port。这样每个连接各自的序号（seq）就不会互相干扰。所以，序号的数据就存储在Port类里，这也就不奇怪了。正因为Port代表了连接，所以数据的过滤和代理也必须面向连接进行，因此Port也和相关的类紧密联系。

说实话，如果把Port改名为Connection，也许会更直观一些。

这里面出现了NodeName和Port Name，也顺便看看定义：

struct COMPONENT_EXPORT(MOJO_CORE_PORTS) PortName : Name {constexpr PortName() : Name(0, 0) {}constexpr PortName(uint64_t v1, uint64_t v2) : Name(v1, v2) {}
};
struct COMPONENT_EXPORT(MOJO_CORE_PORTS) NodeName : Name {constexpr NodeName() : Name(0, 0) {}constexpr NodeName(uint64_t v1, uint64_t v2) : Name(v1, v2) {}
};

接下来

接下来，我们继续阅读Mojo模块的代码。了解消息的过滤和派发、序列化和反序列化、Mojom、等功能逻辑。（未完待续…）

这篇关于Chromium源码阅读：深入理解Mojo框架的设计思想，并掌握其基本用法（1）的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/1056469。

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