Linux系統(tǒng)中的進(jìn)程之間通信

一、Linux 系統(tǒng)中的進(jìn)程之間通信（IPC）

二、基于 Socket 通信的優(yōu)點(diǎn)

三、MQTT 消息總線

四、嵌入式系統(tǒng)中如何利用 MQTT 消息總線

五、Mosquitto： 一個(gè)簡單的測試代碼

六、總結(jié)

一、Linux 系統(tǒng)中的進(jìn)程之間通信（IPC）作為一名嵌入式軟件開發(fā)人員來說，處理進(jìn)程之間的通信是很常見的事情。從通信目的的角度來看，我們可以把進(jìn)程之間的通信分成 3 種：

為了進(jìn)程的調(diào)度： 可以通過信號(hào)來實(shí)現(xiàn);

為了共享資源：可以通過互斥鎖、信號(hào)量、讀寫鎖、文件鎖等來實(shí)現(xiàn);

為了傳遞數(shù)據(jù)：可以通過共享內(nèi)存、命名管道、消息隊(duì)列、Socket來實(shí)現(xiàn)。

關(guān)于上面提到的這些、操作系統(tǒng)為我們提供的通信原語，網(wǎng)絡(luò)上的各種資料、文章滿天飛，在這里就不啰嗦了。在這些方法中應(yīng)該如何選擇呢？根據(jù)我個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，貴精不貴多，認(rèn)真挑選三四樣?xùn)|西就能完全滿足日常的工作需要。

我們今天想討論的問題主要是第 3 個(gè)：傳遞數(shù)據(jù)，在上面這幾種傳遞數(shù)據(jù)的方法中，我最喜歡、最常用的就是 Socket 通信。

有些小伙伴可能會(huì)說：Socket 通信就是 TCP/IP 的那一套東西，還需要自己管理連接、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組包、分包，也是挺麻煩的。

沒錯(cuò)，Socket 通信本身的確需要手動(dòng)來處理這些底層的東西，但是我們可以給 Socket 穿上一層“外衣”：利用 MQTT 消息總線，在系統(tǒng)的各進(jìn)程之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，下面我們就一一道來。

二、基于 Socket 通信的優(yōu)點(diǎn)這里我就不自己發(fā)揮了，直接引用陳碩老師的那本書《Linux 多線程服務(wù)端編程》這本書中的觀點(diǎn)（第 65 頁，3.4小節(jié)）：

1. 跨主機(jī)，具有伸縮性

反正都是多進(jìn)程了，如果一臺(tái)機(jī)器的處理能力不夠，就能用多臺(tái)主機(jī)來處理。把進(jìn)程分散到同一臺(tái)局域網(wǎng)的多臺(tái)機(jī)器上，程序改改 Host:Port 配置就能繼續(xù)用。相反，文章開頭部分列出的那些進(jìn)程之間通信方式都不能跨機(jī)器，這就限制了可擴(kuò)展性。

2. 操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回收資源

TCP port 由一個(gè)進(jìn)程獨(dú)占，當(dāng)程序意外退出時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)回收資源，不會(huì)給系統(tǒng)留下垃圾，程序重啟之后能比較容易地恢復(fù)。

3. 可記錄、可重現(xiàn)

兩個(gè)進(jìn)程通過 TCP 通信，如果一個(gè)崩潰了，操作系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉連接，另一個(gè)進(jìn)程幾乎立刻就能感受到，可以快速 failover。當(dāng)然應(yīng)用層的心跳是必不可少的。（補(bǔ)充：操作系統(tǒng)本身對(duì)于 TCP 連接有一個(gè)?；顣r(shí)間，默認(rèn)是 2 個(gè)小時(shí)，而且是針對(duì)全局的。）

4. 跨語言

服務(wù)端和客戶端不必使用同一種編程語言。

1. 陳碩老師描述的是通用的 Socket 通信，因此客戶端和服務(wù)端一般位于不同的物理機(jī)器上。

2. 在嵌入式開發(fā)中，一般都是用同一種編程語言，因此，跨語言這個(gè)有點(diǎn)可以忽略不計(jì)了。

三、MQTT 消息總線1. MQTT 是一個(gè)通信的機(jī)制

對(duì)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域熟悉的小伙伴，對(duì)于 MQTT 消息總線一定非常熟悉，目前幾大物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)（亞馬孫、阿里云、華為云）都提供了 MQTT 協(xié)議的接入方式。

目前，學(xué)習(xí) MQTT 最好的文檔是 IBM 的在線手冊(cè)：https://developer.ibm.com/zh/technologies/messaging/articles/iot-mqtt-why-good-for-iot/。

這里，我直接把一些重點(diǎn)信息列出來：

MQTT協(xié)議輕量、簡單、開放和易于實(shí)現(xiàn)；

MQTT 是基于發(fā)布 （Publish）/訂閱 （Subscribe）范式的消息協(xié)議；

MQTT 工作在 TCP/IP協(xié)議族上；

有三種消息發(fā)布服務(wù)質(zhì)量；

小型傳輸，開銷很?。ü潭ㄩL度的頭部是 2 字節(jié)），協(xié)議交換最小化，以降低網(wǎng)絡(luò)流量；

MQTT 消息傳輸需要一個(gè)中間件，稱為：Broker，其實(shí)也就是一個(gè) Server。通信模型如下：

MQTT Broker 需要首先啟動(dòng)；

ClientA 和 ClientB 需要連接到 Broker;

ClientA 訂閱主題 topic_1，ClientB 訂閱主題 topic_2;

ClientA 往 topic_2 這個(gè)主題發(fā)送消息，就會(huì)被 ClientB 接收到；

ClientB 往 topic_1 這個(gè)主題發(fā)送消息，就會(huì)被 ClientA 接收到；

基于 topic 主題的通信方式有一個(gè)很大的好處就是解耦，一個(gè)客戶端可以訂閱多個(gè) topic，任何接入到總線的其他客戶端都可以往這些 topic 中發(fā)送信息（一個(gè)客戶端發(fā)送消息給自己也是可以的）。

2. MQTT 的實(shí)現(xiàn)

MQTT 只是一個(gè)協(xié)議而已，在 IBM 的在線文檔中可以看到，有很多語言都實(shí)現(xiàn)了 MQTT 協(xié)議，包括：C/C++、Java、Python、C#、JavaScript、Go、Objective-C等等。那么對(duì)于嵌入式開發(fā)來說，使用比較多的是這幾個(gè)實(shí)現(xiàn)：

Mosquitto;

Paho MQTT;

wolfMQTT;

MQTTRoute。

在下面，我們會(huì)重點(diǎn)介紹 Mosquitto 這個(gè)開源實(shí)現(xiàn)的編譯和使用方式，這也是我在項(xiàng)目中使用最多的。

3. 在 MQTT 之上，設(shè)計(jì)自己的通信協(xié)議

從上面的描述中可以看出，MQTT 消息總線就是一個(gè)通信機(jī)制，為通信主體提供了一個(gè)傳遞數(shù)據(jù)的通道而已。

在這個(gè)通道之上，我們可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目的需要，發(fā)送任何格式、編碼的數(shù)據(jù)。在項(xiàng)目中，我們最常用的就是 json 格式的純文本，這也是各家物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)所推薦的方式。如果在文本數(shù)據(jù)中需要包含二進(jìn)制數(shù)據(jù)，那就轉(zhuǎn)成 BASE64 編碼之后再發(fā)送。

四、嵌入式系統(tǒng)中如何利用 MQTT 消息總線從上面的描述中可以看到，只要在服務(wù)端運(yùn)行著一個(gè) MQTT Broker 服務(wù)，每個(gè)連接到總線的客戶端都可以靈活地相互收發(fā)數(shù)據(jù)。

我們可以把這個(gè)機(jī)制應(yīng)用在嵌入式應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)中：MQTT Broker 作為一個(gè)獨(dú)立的服務(wù)運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)本地，其他需要交互的進(jìn)程，只要連接到本地的這個(gè) Broker，就可以相互發(fā)送數(shù)據(jù)了。運(yùn)行模型如下：

每一個(gè)進(jìn)程只需要訂閱一個(gè)固定的 topic（比如：自己的 client Id），那么其他進(jìn)程如果想要發(fā)送數(shù)據(jù)給它，就直接發(fā)送到這個(gè) topic 即可。

1. 一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的通信框架

我之前開發(fā)過一個(gè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采集大氣中的 PM2.5、PM10等污染物參數(shù)，在 Contex A8 平臺(tái)下開發(fā)，需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄（數(shù)據(jù)庫）、UI 監(jiān)控界面等功能。

污染物的數(shù)據(jù)采樣硬件模塊是第三方公司提供的，我們只需要通過該模塊提供的串口協(xié)議去控制采樣設(shè)備、接收采樣數(shù)據(jù)即可。最終設(shè)計(jì)的通信模型如下：

UI 進(jìn)程通過消息總線，發(fā)送控制指令給采樣控制進(jìn)程，采樣控制進(jìn)程接收到后通過串口發(fā)送控制指令給采樣模塊；

采樣控制進(jìn)程從串口接收采樣模塊發(fā)來的PM2.5等數(shù)據(jù)后，把所有的數(shù)據(jù)發(fā)送到消息總線上指定的 topic 中；

UI 進(jìn)程程訂閱該 topic，接收到數(shù)據(jù)后，顯示在屏幕上；

數(shù)據(jù)庫進(jìn)程也訂閱該 topic，接收到數(shù)據(jù)后，把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 SQLite 數(shù)據(jù)庫中；

在這個(gè)產(chǎn)品中，核心進(jìn)程是采樣控制進(jìn)程，負(fù)責(zé)與采樣模塊的交互。通過把 UI 處理、數(shù)據(jù)庫處理設(shè)計(jì)成獨(dú)立的進(jìn)程，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，即使這 2 個(gè)進(jìn)程崩潰了，也不會(huì)影響到核心的采樣控制進(jìn)程。

比如：如果 UI 進(jìn)程出現(xiàn)錯(cuò)誤崩潰了，會(huì)立刻重啟，啟動(dòng)之后通過緩存信息知道此刻正在執(zhí)行采樣工作，于是 UI 進(jìn)程立刻連接到消息總線、進(jìn)入采樣數(shù)據(jù)顯示界面，繼續(xù)接收、顯示采樣控制進(jìn)程發(fā)出的PM2.5等數(shù)據(jù)。

這個(gè)通信模型還有另外一個(gè)有點(diǎn)：可擴(kuò)展性。

在項(xiàng)目開發(fā)的后期，甲方說需要集成一個(gè)第三方的氣體模塊，用來采集大氣中NO、SO2等參數(shù)，通信方式是 RS485。

此時(shí)擴(kuò)展這個(gè)功能模塊就異常簡單了，直接寫一個(gè)獨(dú)立的氣體參數(shù)進(jìn)程，接入到消息總線上。這個(gè)進(jìn)程通過 RS485，從第三方氣體模塊接收到NO、SO2等氣體參數(shù)時(shí)，直接往消息總線上的某個(gè) topic 一丟，UI進(jìn)程、數(shù)據(jù)庫進(jìn)程訂閱這個(gè) topic，就可以立刻接收到氣體相關(guān)的數(shù)據(jù)了。

此外，這個(gè)設(shè)計(jì)模型還有其他一些優(yōu)點(diǎn)：

并行開發(fā)：每個(gè)進(jìn)程可以由不同的人員并行開發(fā)，只要相互之間定義好通信協(xié)議即可；

調(diào)試方便：由于發(fā)送的數(shù)據(jù)都是 manual readable，在開發(fā)階段，可以在 PC 機(jī)上專門寫一個(gè)監(jiān)控程序，接入到嵌入式系統(tǒng)中的 MQTT Broker 之后，這樣就可以接收到所有進(jìn)程發(fā)出的消息；

通信安全：在產(chǎn)品 release 之后，為了防止其他人偷聽數(shù)據(jù)（比如 2 中的調(diào)試進(jìn)程），可以為 MQTT Broker 指定一個(gè)配置文件，只能允許本地進(jìn)程（127.0.0.1）連接到消息總線上。

2. 稍微復(fù)雜一點(diǎn)的通信模型

在剛才描述的嵌入式系框架設(shè)計(jì)中，每一個(gè)進(jìn)程都是運(yùn)行在本地的，所有的消息也都是在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行收發(fā)。那么，如果需要把數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫恕⒒蛘咝枰獜脑贫私邮找恍┛刂浦噶?，又該如何設(shè)計(jì)呢？

加入一個(gè) MQTT Bridge 橋接模塊即可！也就是再增加一個(gè)進(jìn)程，這個(gè)進(jìn)程同時(shí)連接到云端的 MQTT Broker 和本地的 MQTT Broker，通信模型如下：

MQTT Bridge 接收到云端發(fā)來的指令時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)到本地的消息總線上；

MQTT Bridge 接收到本地的消息時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)到云端的消息總線上。

五、Mosquitto： 一個(gè)簡單的測試代碼上面的內(nèi)容主要討論的是設(shè)計(jì)的思想，具體到代碼層面，我一般使用的是 Mosquitto 這個(gè)開源的實(shí)現(xiàn)。

在 Linux 系統(tǒng)中安裝、測試都非常方便，下面就簡單說明一下。

1. 直接通過 apt 來安裝、測試

可以參考這個(gè)文檔（https://www.vultr.com/docs/how-to-install-mosquitto-mqtt-broker-server-on-ubuntu-16-04）來安裝測試。

（1） 安裝

sudo apt-add-repository ppa:mosquitto-dev/mosquitto-ppasudo apt-get updatesudo apt-get install mosquittosudo apt-get install mosquitto-clients

（2） 測試

mosquitto broker 在安裝之后會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，可以用 netstat 查看 1883 端口來確認(rèn)一下。

接收端：連接到 broker 之后，訂閱 “test” 這個(gè) topic。

mosquitto_sub -t “test”

發(fā)送端：連接到 broker 之后，往 “test” 這個(gè) topic 發(fā)送字符串 “hello”。

mosquitto_pub -m “hello” -t “test”

當(dāng)發(fā)送端執(zhí)行 mosquitto_pub 時(shí)，在接收端的終端窗口中，就可以接收到 “hello” 這個(gè)字符串。

2. 通過源碼來手動(dòng)編譯、測試

通過 apt 來安裝主要是用來簡單的學(xué)習(xí)和測試，如果要在項(xiàng)目開發(fā)中使用 Mosquitto，肯定需要手動(dòng)編譯，得到頭文件和庫文件，然后復(fù)制到應(yīng)用程序中使用。

（1） 手動(dòng)編譯、安裝 Mosquitto

我的開發(fā)環(huán)境是：

編譯器：gcc （Ubuntu 5.4.0-6ubuntu1~16.04.12） 5.4.0 20160609

Mosquitto 版本：mosquitto-1.4.9

mosquitto-1.4.9 可以到官方網(wǎng)站下載，也可以從文末的網(wǎng)盤中下載，你也可以嘗試更高的版本。

編譯、安裝指令：

makemake install prefix=$PWD/install

成功安裝之后，可以在當(dāng)前目錄的 install 文件夾下看到輸出文件：

bin：mqtt 客戶端程序；

include：應(yīng)用程序需要 include 的頭文件；

lib：應(yīng)用程序需要鏈接的庫文件；

sbin：mqtt broker 服務(wù)程序。

在編譯過程中，如果遇到一些諸如：ares.h、uuid.h 等依賴文件找不到的錯(cuò)誤，只需要通過 apt 指令安裝響應(yīng)的開發(fā)包即可。

（2） 最簡單的 mosquitto 客戶端代碼

在 mosquitto 源碼中，提供了豐富的 Sample 示例。如果你不樂意去探索，可以直接下載文末的這個(gè)網(wǎng)盤中的 Demo 示例程序，這個(gè)程序連接到消息總線上之后，訂閱 “topic_01” 這個(gè)主題。當(dāng)然，你也可以修改代碼去發(fā)送消息（調(diào)用：mosquitto_publish 這個(gè)函數(shù)）。

進(jìn)入 c_mqtt 示例代碼目錄之后，可以看到已經(jīng)包含了 bin、include 和 lib 目錄，它們就是從上面（1）中安裝目錄 install 中復(fù)制過來的。

執(zhí)行 make 指令之后，即可編譯成功，得到可執(zhí)行文件：mqtt_client。

測試過程如下：

Step1： 啟動(dòng) MQTT Broker

在第 1 個(gè)終端窗口中，啟動(dòng) sbin/mosquitto 這個(gè) Broker 程序。如果你在上面測試中已經(jīng)啟動(dòng)了一個(gè) broker，需要先 kill 掉之前的那個(gè) broker，因?yàn)樗鼈兡J(rèn)都使用 1883 這個(gè)端口，無法共存。

Step2： 啟動(dòng)接收端程序 mqtt_client

在第 2 個(gè)終端窗口中，啟動(dòng) mqtt_client 也就是我們的示例代碼編譯得到的可執(zhí)行程序，它訂閱的 topic 是 “topic_01”。

。/mqtt_client 127.0.0.1 1883

參數(shù) 1： Broker 服務(wù)的 IP 地址，因?yàn)槎际窃诒镜叵到y(tǒng)中，所以是 127.0.0.1；

參數(shù) 2： 端口號(hào)，一般默認(rèn)是1883。

Step3： 啟動(dòng)發(fā)送端程序 bin/mosquitto_pub

在第 3 個(gè)終端窗口中，啟動(dòng) bin/mosquitto_pub，命令如下：

。/mosquitto_pub -h 127.0.0.1 -p 1883 -m “hello123” -t “topic_01”

參數(shù) -h：Broker 服務(wù)的 IP 地址，因?yàn)槎际窃诒镜叵到y(tǒng)中，所以是 127.0.0.1；參數(shù) -p：端口號(hào) 1883；

參數(shù) -m：發(fā)送的消息內(nèi)容；

參數(shù) -t：發(fā)送的主題 topic。

此時(shí)，可以在第 2 個(gè)終端窗口（mqtt_client）中打印出接收到的消息。

六、總結(jié)這篇文章主要介紹了嵌入式系統(tǒng)中的一個(gè)設(shè)計(jì)模式：通過消息總線來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的通信，并介紹了 Mosquitto 這個(gè)開源實(shí)現(xiàn)。

在實(shí)際的項(xiàng)目中，還需要更加嚴(yán)格的權(quán)限控制，比如：在接入消息總線時(shí)提供用戶名、密碼、設(shè)備證書，客戶端的名稱必須滿足指定的格式，訂閱的 topic 必須符合一定的格式等等。

在下一篇文章中，我們繼續(xù)討論這個(gè)話題，給出一個(gè)更具體、更實(shí)用的 Demo 例程。

原文標(biāo)題：進(jìn)程之間通信方式：最喜歡消息總線

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