Linux进程间通信

来源：互联网发布：阿里云mx记录值编辑：程序博客网时间：2024/06/05 10:12

1 目的

对比进程间通信方式，选择适合平台开发的进程间通信方法。

如果是开源模块的话，重点考察通信机制，接口封装程度，稳定性，使用是否简易。

2 Linux常用的进程通信方式简介

2.1 管道

管道（Pipe）及有名管道（named pipe）：管道可用于具有亲缘关系进程间的通信，有名管道克服了管道没有名字的限制，因此，除具有管道所具有的功能外，它还允许无亲缘关系进程间的通信；

2.2 信号

信号（Signal）：信号是比较复杂的通信方式，用于通知接受进程有某种事件发生，除了用于进程间通信外，进程还可以发送信号给进程本身；linux除了支持Unix早期信号语义函数sigal外，还支持语义符合Posix.1标准的信号函数sigaction（实际上，该函数是基于BSD的，BSD为了实现可靠信号机制，又能够统一对外接口，用sigaction函数重新实现了signal函数）；

2.3 报文

报文（Message）队列（消息队列）：消息队列是消息的链接表，包括Posix消息队列system V消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程则可以读走队列中的消息。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。

2.4 共享内存

共享内存：使得多个进程可以访问同一块内存空间，是最快的可用IPC形式。是针对其他通信机制运行效率较低而设计的。往往与其它通信机制，如信号量结合使用，来达到进程间的同步及互斥。

2.5 信号量

信号量（semaphore）：主要作为进程间以及同一进程不同线程之间的同步手段。

2.6 Socket

套接口（Socket）：更为一般的进程间通信机制，可用于不同机器之间的进程间通信。起初是由Unix系统的BSD分支开发出来的，但现在一般可以移植到其它类Unix系统上：Linux和System V的变种都支持套接字。

2.7 小结

此处只是简单介绍了Linux内核提供的进程间通信的方式，具体使用方法可以参照《linux环境进程间通信(全)》

附件：

3 D-bus简介

3.1 主要作用

1. 在同一个桌面会话中，进行桌面应用程序之间的通讯

2. 桌面程序与内核或者守护进程的通信。

3.2 进程通信体系

它有以下几层：

1. libdbus库，提供给各个应用程序调用，使应用程序具有通信和数据交换的能力，两个应用程序可以直接进行通信，就像是一条socket通道，两个程序之间建立通道之后，就可以通讯了。

2. 消息守护进程，在libdbus的基础上创建，可以管理多个应用程序之间的通信。每个应用程序都和消息守护进程建立dbus的链接，然后由消息守护进程进行消息的分派。

3. 各种包装库，有libdbus-glib，libdbus-qt等等，目的是将dbus的底层api进行一下封装。

在DBus的体系中，有一个常驻的进程 Daemon，所有进程间的交互都通过它来进行分发和管理。所有希望使用 DBus 进行通信的进程，都必须事先连上 Daemon，并将自己的名字注册到 Daemon 上，之后，Daemon会根据需要把消息以及数据发到相应的进程中。

3.3 机制简介

D-Bus机制的重要概念有以下几个：

a) 对象：对象是封装后的匹配器与回调函数，它以对等（peer-to-peer）协议使每个消息都有一个源地址和一个目的地址。这些地址又称为对象路径，或者称之为总线名称。对象的接口是回调函数，它以类似C++的虚拟函数实现。当一个进程注册到某个总线时，都要创建相应的消息对象。

b) 消息：D-Bus的消息分为信号（signals）、方法调用（methodcalls）、方法返回（method returns）和错误（errors）。信号是最基本的消息，注册的进程可简单地发送信号到总线上，其他进程通过总线读取消息。方法调用是通过总线传递参数，执行另一个进程接口函数的机制，用于某个进程控制另一个进程。方法返回是注册的进程在收到相关信息后，自动做出反应的机制，由回调函数实现。错误是信号的一种，是注册进程错误处理机制之一。

c) 服务：服务（Services）是进程注册的抽象。进程注册某个地址后，即可获得对应总线的服务。D-Bus提供了服务查询接口，进程可通过该接口查询某个服务是否存在。或者在服务结束时自动收到来自系统的消息。

D-Bus机制描述：

a) D-Bus具备自身的协议，协议基于二进制数据设计，与数据结构和编码方式无关。该协议无需对数据进行序列化，保证了信息传递的高效性。无论是libdbus，还是D-Bus总线守护进程，均不需要太大的系统开销。

b) D-Bus 本身是构建在 Socket 机制之上。真正的通信还是由Socket 来完成的。DBus 则是在这之上，制定了一些通信的协议，并提供了更高一层的接口，以更方便应用程序之间进行数据的交互。

c) 总线是D-Bus的进程间通信机制，一个系统中通常存在多条总线，这些总线由D-Bus总线守护进程管理。最重要的总线为系统总线（SystemBus），Linux内核引导时，该总线就已被装入内存。只有Linux内核、Linux桌面环境和权限较高的程序才能向该总线写入消息，以此保障系统安全性，防止有恶意进程假冒Linux发送消息。会话总线（Session Buses）由普通进程创建，可同时存在多条。会话总线属于某个进程私有，它用于进程间传递消息。

D-Bus通信流程描述：

l 方法调用的一般流程：

1.使用不同语言绑定的dbus高层接口，都提供了一些代理对象，调用其他进程里面的远端对象就像是在本地进程中的调用一样。应用调用代理上的方法，代理将构造一个方法调用消息给远端的进程。

2.在DBUS的底层接口中，应用需要自己构造方法调用消息（methodcall message），而不能使用代理。

3.方法调用消息里面的内容有：目的进程的bus name，方法的名字，方法的参数，目的进程的对象路径，以及可选的接口名称。

4.方法调用消息是发送到bus daemon中的。

5.bus daemon查找目标的bus name，如果找到，就把这个方法发送到该进程中，否则，daemon会产生错误消息，作为应答消息给发送进程。

6.目标进程解开消息，在dbus底层接口中，会立即调用方法，然后发送方法的应答消息给daemon。在dbus高层接口中，会先检测对象路径，接口，方法名称，然后把它转换成对应的对象（如GObject，QT中的QObject等）的方法，然后再将应答结果转换成应答消息发给daemon。

7.bus daemon接受到应答消息，将把应答消息直接发给发出调用消息的进程。

8.应答消息中可以包容很多返回值，也可以标识一个错误发生，当使用绑定时，应答消息将转换为代理对象的返回值，或者进入异常。

busdaemon不对消息重新排序，如果发送了两条消息到同一个进程，他们将按照发送顺序接受到。接受进程并需要按照顺序发出应答消息，例如在多线程中处理这些消息，应答消息的发出是没有顺序的。消息都有一个序列号可以与应答消息进行配对。

l 信号的一般流程如下：

1.当使用dbus底层接口时，信号需要应用自己创建和发送到daemon，使用dbus高层接口时，可以使用相关对象进行发送，如Glib里面提供的信号触发机制。

2.信号包含的内容有：信号的接口名称，信号名称，发送进程的bus name，以及其他参数。

3.任何进程都可以依据”match rules”注册相关的信号，daemon有一张注册的列表。

4.daemon检测信号，决定哪些进程对这个信号感兴趣，然后把信号发送给这些进程。

5.每个进程收到信号后，如果是使用了dbus高层接口，可以选择触发代理对象上的信号。如果是dbus底层接口，需要检查发送者名称和信号名称，然后决定怎么做。

3.4 基于Glib的样例

3.4.1 对比Glib的类型说明

dbus和glib的数据类型映射如下：

D-Bus basic type

GType

Free function

Notes

BYTE

G_TYPE_UCHAR

BOOLEAN

G_TYPE_BOOLEAN

INT16

G_TYPE_INT

Will be changed to a G_TYPE_INT16 once
GLib has it

UINT16

G_TYPE_UINT

Will be changed to a G_TYPE_UINT16 once
GLib has it

INT32

G_TYPE_INT

Will be changed to a G_TYPE_INT32 once
GLib has it

UINT32

G_TYPE_UINT

Will be changed to a G_TYPE_UINT32 once
GLib has it

INT64

G_TYPE_GINT64

UINT64

G_TYPE_GUINT64

DOUBLE

G_TYPE_DOUBLE

STRING

G_TYPE_STRING

g_free

OBJECT_PATH

DBUS_TYPE_G_PROXY

g_object_unref

The returned proxy does not have an interface set; use
dbus_g_proxy_set_interface to invoke methods

Container type mappings
dbus数据也有包容器类型，像DBUS_TYPE_ARRAY 和 DBUS_TYPE_STRUCT，dbus的数据类型可以是嵌套的，如有一个数组，内容是字符串的数组集合。

但是，并不是所有的类型都有普通的使用，DBUS_TYPE_STRUCT应该可以包容非基本类型的数据类型。glib绑定尝试使用比较明显的方式进行声明。

D-Bus type signature

Description

GType

C typedef

Free function

Notes

Array of strings

G_TYPE_STRV

char **

g_strfreev

Generic value container

G_TYPE_VALUE

GValue *

g_value_unset

The calling conventions for values expect that method callers have
allocated return values; see below.

同时定义了新的数组类型集合。

D-Bus type signature

Description

GType

C typedef

Free function

Notes

Array of bytes

DBUS_TYPE_G_BYTE_ARRAY

GArray *

g_array_free

Array of uint

DBUS_TYPE_G_UINT_ARRAY

GArray *

g_array_free

Array of int

DBUS_TYPE_G_INT_ARRAY

GArray *

g_array_free

Array of int64

DBUS_TYPE_G_INT64_ARRAY

GArray *

g_array_free

Array of uint64

DBUS_TYPE_G_UINT64_ARRAY

GArray *

g_array_free

Array of double

DBUS_TYPE_G_DOUBLE_ARRAY

GArray *

g_array_free

Array of boolean

DBUS_TYPE_G_BOOLEAN_ARRAY

GArray *

g_array_free

定义了字典类型

D-Bus type signature

Description

GType

C typedef

Free function

Notes

a{ss}

Dictionary mapping strings to strings

DBUS_TYPE_G_STRING_STRING_HASHTABLE

GHashTable *

g_hash_table_destroy

3.4.2 使用样例

l 网上有一个叫d-feet的python程序，我们可以用它来观察系统中的dbus世界。

图1、由d-feet观察到的D-Bus世界

D-Bus是一个程序。它提供了API。但我们一般不会直接使用dbus的接口。dbus-glib是GTK版本的dbus接口封装。本文假设读者安装了dbus-glib，我安装的是dbus-glib-0.76。后面还会看到，通过python操纵dbus是多么简单。

l 以hello-dbus3-0.1.tar.gz为例（附录有原例子链接），这是一个autotool工程，大家解包后，执行：

./autogen.sh

./configure

make

然后在src目录运行：

./example-service

这时再运行d-feet，连接session bus，在“Bus Name”窗口会看到一个叫“org.fmddlmyy.Test”连接名。

图2、提供D-Bus服务的org.fmddlmyy.Test

选择“org.fmddlmyy.Test”，在右侧窗口点击展开“ObjectPaths”->“/TestObj”->“Interfaces”->“org.fmddlmyy.Test.Basic”->“Methods”，可以看到一个Add方法。双击Add方法，弹出下面这个对话框：

图3、通过D-Bus接口计算1+2=3

在Parameters窗口输入“1,2”，点击“Execute”按钮，然后在“Output”窗口我们看到了输出结果。我们刚刚创建了一个dbus服务并调用了它。

3.4.3 主要流程

l 通过dbus-binding-tool工具，可以将xml定义的接口文件转换成c语言的头文件。

例如：dbus-binding-tool --prefix=test_obj --mode=glib-server--output=testDbus-glue.h ./testDbus.xml

l 引入生成的头文件，实现接口函数。

l 用dbus_g_bus_get得到session bus的连接

l 在这个连接上用dbus_g_proxy_new_for_name函数获得到拥有指定公共名的连接的指定对象的指定接口的代理

l 最后，用dbus_g_proxy_call函数通过接口代理调用接口提供的方法。

3.4.4 主要接口

l 通过glib的代理proxy调用方法

n Function for synchronously invoking a method and receiving replyvalues

gboolean dbus_g_proxy_call (DBusGProxy *proxy,

const char *method,

GError **error,

GType first_arg_type,

...);

n Function for synchronously invoking a method and receiving replyvalues.

gboolean dbus_g_proxy_call_with_timeout (DBusGProxy *proxy,

constchar *method,

int timeout,

GError **error,

GType first_arg_type,

...);

n Sends a method call message as with dbus_g_proxy_begin_call(), butdoes not ask for a reply or allow you to receive one.

void dbus_g_proxy_call_no_reply (DBusGProxy *proxy,

const char *method,

GType first_arg_type,

...);

n Asynchronously invokes a method on a remote interface.

DBusGProxyCall * dbus_g_proxy_begin_call (DBusGProxy *proxy,

const char *method,

DBusGProxyCallNotifynotify,

gpointer user_data,

GDestroyNotify destroy,

GType first_arg_type,

...);

n Asynchronously invokes a method on a remote interface.

DBusGProxyCall* dbus_g_proxy_begin_call_with_timeout

(DBusGProxy *proxy,

const char *method,

DBusGProxyCallNotify notify,

gpointer user_data,

GDestroyNotify destroy,

int timeout,

GType first_arg_type,

...);

n Collects the results of a method call.

gboolean dbus_g_proxy_end_call (DBusGProxy *proxy,

DBusGProxyCall *call,

GError**error,

GType first_arg_type,

...);

n Cancels a pending method call.

void dbus_g_proxy_cancel_call (DBusGProxy *proxy,

DBusGProxyCall*call);

注：函数说明链接

http://dbus.freedesktop.org/doc/dbus-glib/dbus-glib-DBusGProxy.html

3.5 基于Qt的样例

3.5.1 对比QtDBus

注意：Qt源码编译时，需要保证系统中已经安装好dbus，然后Qt编译选项中要选支持dbus，这样会才会生成LibQtDBus.so等相关库文件。

Qt的example中有几个例子，这里就不详述了。

3.6 直接调用dbus接口

使用方式类似：

l 用dbus_bus_get获取session bus的连接

l 通过session bus的连接绑定等待数据

l 发送数据

n 异步函数调用：dbus_connection_send

n 同步函数调用：dbus_connection_send_with_reply

3.7 优点

低延迟，低开销，高可用性：

1) 低延迟：DBus一开始就是用来设计成避免来回传递和允许异步操作的。因此虽然在Application和 Daemon之间是通过socket实现的，但是又去掉了socket的循环等待，保证了操作的实时高效。

2) 低开销：DBus使用一个二进制的协议，不需要转化成像XML这样的文本格式。因为DBus是主要用来机器内部的IPC,而不是为了网络上的IPC机制而准备的.所以它才能够在本机内部达到最优效果。

3) 高可用性：DBus是基于消息机制而不是字节流机制。它能自动管理一大堆困难的IPC问题。同样的，DBus库被设计来让程序员能够使用他们已经写好的代码。而不会让他们放弃已经写好的代码，被迫通过学习新的IPC机制来根据新的IPC特性重写这些代码。

4 AF_BUS简介

在Genivi库中以补丁的形式存在，分别对linux,glib,dbus进行了部分修改。

目前没有形成demo。

5 预研小结

根据目前现有资料分析，基础的Linux进程间通信方式只能停留在字符序列上，需要进一步封装才能满足使用需求。而D-Bus则基于消息封装了底层实现，接口又有glib、qt等进行再此包装，实现上能做到低延迟，低开销，高可用性，都是其使用优点。

未来使用d-bus还需要留意的几点：

l 它底层是用socket封装的，是否可以轻易的在多主机间通信，如何配置等。

l 在大数据量下，是否还能满足我们的需求。

l 他自身机制和我们应用的进程线程保护之间是否有注意的地方。

6 附录

6.1 D-Bus相关资料

一些基本概念的解释和翻译：

http://blog.mcuol.com/User/AT91RM9200/Article/12816_1.htm

http://www.cnblogs.com/wzh206/archive/2010/05/13/1734901.html

一个完整的DBus学习教程(强烈推荐，写得相当的全)：

http://blog.csdn.net/fmddlmyy/archive/2008/12/23/3585730.aspx

两个DBus的完整示例，相当有参考价值

http://hi.baidu.com/zengzhaonong/blog/item/670b98d6e63ae42c07088bae.html

DBus 官方网站，最原滋原味的DBus学习内容

http://www.freedesktop.org/wiki/Software/dbus

http://dbus.freedesktop.org/doc/dbus-tutorial.html

http://dbus.freedesktop.org/doc/dbus-specification.html

资料推荐出处：

http://blog.sina.com.cn/s/blog_65d6476a0101em1h.html

6.2 D-Bus安装

Ubuntu下安装D-Bus包：

要先装一下libdbus，执行一下以下语句就OK了

sudo apt-get install libgtk2.0-dev

sudo apt-get install libdbus-glib-1-dev

//另可以安装一下下面这个工具

sudo apt-get install d-feet

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