問題
開始正文前：先拋出幾個問題，帶著疑問閱讀下面的文章，應該會更有收獲。
- iOS 系統架構可以分為幾層？
- Darwin 層又可以分為幾部分？能否簡單介紹下各部分？
- IPC 是什么？，有哪些常見 IPC？iOS 中一般采用什么方式進行 IPC？能否舉一些 IPC 的例子出來？
- 能否介紹一下宏內核、微內核、混合內核以及各自的優劣？
1 iOS 系統架構
上一次問答在說到 iOS 事件響應流程時，提到了 iOS 系統框架中的 IOKit 和 SpringBoard。今天就深入展開介紹一下 iOS 的系統框架。
iOS 系統可以分為四層，從下往上介紹：
- 第一層是 Darwin 層，是操作系統的核心，屬于操作系統的內核態，包括了系統內核 XNU，驅動等，是開源的，可在 opensource.apple.com 找到。
- 第二層是核心框架層，包括 Metal、OpenGL 等。
- 第三層是應用框架層，比如 Cocoa Touch 框架。
- 第四層是用戶體驗層，包括用戶能接觸到的圖形應用，如 SpringBoard（桌面系統，統一管理和分發系統接收到的觸摸事件）、Spotlight。
上面提到 Darwin 層屬于操作系統的內核態，而其余的三層，核心框架層、應用框架層、用戶體驗層屬于用戶態。
Darwin 的內核是 XNU，全稱 'XNU’s Not UNIX'。下面會著重介紹一下 XNU。如上圖所示，XNU 主要由以下三項組成：
- Mach
- BSD
- IOKit
2 Mach
2-1 Mach 基本介紹
Mach 是 XNU 內核的內環，屬于微內核，只提供了處理器調度、進程間通信（IPC）、內存保護、虛擬內存管理、進程和線程的抽象等功能。
2-2 IPC
Mach 的核心功能是 IPC（Inter-Process Communication）。在 Mach 中，所有東西都是屬于對象范疇的，比如進程、線程、虛擬內存。對象間是不能直接相互調用的，必須通過消息傳遞的方式實現，消息會在兩個端口之間傳遞，也就是基于 mach port。當處于用戶態的核心框架層、應用框架層、用戶體驗層需要進行系統調用的時候，會調用 mach_msg_trap() 觸發陷阱機制，切換到內核態，內核態中實現 mach_msg() 函數完成最后的工作。具體過程如下：
RunLoop 的核心就用到了 mach_msg()，當沒有接收到 port 消息時，內核會將線程置為等待狀態，節省資源。
在 iOS 屏幕渲染過程，同樣會利用到 IPC。
在 Xcode 中運行 App 時，點擊調試欄中的暫停按鈕，也可以看到主線程調用棧停留在 mach_msg_trap()。
在 iOS 中，剪貼板（Pasteboard）同樣屬于進程間通信方式的范疇。
(IPC 參考鏈接)[https://nshipster.com/inter-process-communication/]
3 BSD
Mach 本身提供的 API 有限，額外功能需要 BSD 來實現，BSD 可以看做圍繞 Mach 層的一個外環，提供了更高層次的抽象，提供了進程管理、文件系統、網絡諸多功能。屬于宏內核。
4 IOKit
IOKit 是硬件驅動程序的運行環境，包括電源、內存、CPU 等信息。為設備驅動提供了一個面向對象（C++）的框架。
這里再簡單講一下 Darwin 層 IOKit、用戶體驗層中的 SpringBoard 在觸摸事件中起到的作用：
- 用戶觸摸屏幕，屏幕硬件將事件通過 mach port 發送給 IOKit
- IOKit 將觸摸事件封裝成 IOHIDEvent 對象，通過 mach port （進程端口通信）傳遞給 用戶體驗層的 SpringBoard
- SpringBoard 會判斷，如果在桌面，則交由系統進程去消耗
- 如果是在應用中發生，將觸摸事件通過 IPC 傳遞給對應應用（source1），source1 喚醒 RunLoop，將事件分發給 source0，_UIApplicationHandleEventQueue 將 IOHIDEvent 包裝成 UIEvent 向下分發
5 Mach、BSD 和微內核、宏內核、混合內核
前面的內容提到 Mach 屬于微內核，BSD 屬于宏內核，那這樣安排的用意是什么呢？這里簡單解釋一下。
在微內核中，用戶服務和內核服務是在不同的地址空間實現的。因此在用戶態如果要進行系統調用的話，需要通過消息傳遞的方式進行通信，隨之帶來的缺點是消息傳遞會造成執行速度變慢。
優點：
- 健壯性：用戶服務和內核服務是相互獨立的，用戶服務的崩潰不會影響到內核服務。
- 擴展性強：添加新的功能，只需要建立一個新的服務到用戶空間即可，內核空間不需要做出修改。
- 占用內存小：內核是常駐內存當中，因為內核服務只有一些最基本的功能，所占內存空間小。
而在宏內核中，用戶服務和內核是在同一空間中實現的。因此不需要經過消息傳遞，執行速度比微服務快。但是微內核所擁有的優點，則變成了宏內核的劣勢。
既然微內核和宏內核，各自有優點，那何不把兩個結合一下，各取所長呢。這就是混合內核了。大致做法是，混合內核會把一些不經常使用的內核模塊從內核中移出，從而降低了內核的復雜程度。
XNU 采用的就是微內核 Mach 和宏內核 BSD 的混合內核。
