CN103455380A - 多进程通信系统及其建立和通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多进程通信系统及其建立和通信方法。其中多进程通信系统包括一中央进程和多个进程；其中各个所述进程分别通过IPC方式连接至所述中央进程；所述中央进程将各个进程的通信连接标识和进程标识的写入一对应关系表；当所述进程中任一个进程作为发送进程向所述进程中与所述发送进程不同的作为接收进程的另一个进程发送一数据时，所述中央进程接收所述数据，并通过所述接收进程的进程标识从所述对应关系表中查找所述接收进程的通信连接标识，并通过所述接收进程的通信连接标识将所述数据发送至所述接收进程。本发明在多个进程之间构建一种星型的通信连接结构，所以不再需要在各个进程中建立大量的IPC实例来实现进程间的数据通信。

Description

多进程通信系统及其建立和通信方法

技术领域

本发明涉及一种多进程通信系统及其建立和通信方法，特别是涉及一种用于嵌入式系统的多进程通信系统及其建立和通信方法。

背景技术

现有的操作系统，尤其是嵌入式系统中每个进程都有自己的地址空间，一个进程不能存取另一个进程的内存数据。虽然两个进程可以用具有相同值的指针寻址，但是这两个进程还是将被映射到不同的物理地址。所读写的只是它们各自的数据，这样就避免了进程之间的相互干扰。例如，在进程A声明了一个指针P，这个指针只能被本进程A使用，在其他进程B中使用P，将会导致致命的问题，所以现有操作系统中禁止这种操作。这样就实现了对每个进程的执行环境进行保护和隔离。而且这也正是嵌入式系统所要实现的基本功能。

在实际应用中，嵌入式系统中往往有众多进程需要同时运行，而且各个进程之间常常需要交换数据或进行数据通信等。并且现有技术中提供了许多系统调用使我们能够进行进程间的通信（IPC，Inter-Process Communication），通过这些系统调用我们可以控制不同进程间的数据交换。

常见的进程间通信IPC方式主要有以下几种：

无名管道（Pipe）和有名管道（Named Pipe），管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动。无名管道只能用于具有亲缘关系进程间的通信，例如父进程和子进程之间的通信。有名管道克服了管道没有名字的限制，因而，除具有无名管道所具有的功能外，有名管道还允许无亲缘关系进程间的通信。

信号通信（Signal）是比较复杂的通信方式，用于通知接收进程有某种事件发生。信号通信是进程间通信机制中唯一的异步通信机制，可以看作是异步通知。

消息队列（Message Queue）就是消息的链表。消息队列用于两个进程之间的通信，首先在一个进程中创建一个消息队列，然后再往消息队列中写数据，而另一个进程则从那个消息队列中取数据。

共享内存（Shared Memory）是运行在同一台机器上的进程间通信最快的方式，因为数据不需要在不同的进程间复制。两个不同进程A、B共享内存的意思是，同一块物理内存被映射至进程A和进程B各自的进程地址空间。进程A可以即时看到进程B对共享内存中数据的更新，反之亦然。通常，由一个进程创建一块共享内存区，其余进程对这块内存区进行读写。由于多个进程可以访问同一块内存区，必然需要某种同步机制，例如采用互斥锁和信号量等。

信号量（Semaphore）是一种计数器的通信方式，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某个进程正在访问共享资源的同时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

套接字（Socket）为更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。

上述方式都是操作系统中提供的实现IPC的方法。单从技术角度而言，可选择其中任意一个直接使用。然而从应用角度讲，这些都不是完整的解决方案。在嵌入式系统，尤其是通信设备软件系统中，往往需要众多进程协作，进程间通信非常频繁，其中存在有大量的数据交换。由于一个进程可能与其他任何进程通信，多个进程间相互交叉通信下，它们一对一通信或者一对多通信，常常会出现类似网状的通信关系。而且已有的IPC通信方式多适用于两两进程间的通信，在进程之间通信前，两个进程需要建立某种形式的连接。这样，在这种多进程环境下，每两个进程之间需要创建一个IPC实例彼此连接，就形成了如图1所示的类似网状的连接结构。这种网状的连接结构，使得多进程间通信变得十分复杂而难以清晰掌握，另外，存在如此众多的IPC实例，也过多地占用了嵌入式环境下系统宝贵的资源。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中的多进程通信时构成的通信连接结构复杂而且IPC实例过多导致占用了大量的系统资源的缺陷，提供一种多进程通信系统及其建立和通信方法，通过利用已有的IPC方式，构建了一种星型的通信连接结构，克服现有网状的通信连接结构所带来的弊端。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供了一种多进程通信系统，其特点是所述多进程通信系统包括一中央进程和多个进程；

其中各个所述进程分别通过IPC方式连接至所述中央进程；所述中央进程将各个进程的通信连接标识和进程标识的写入一对应关系表；

当所述进程中任一个进程作为发送进程向所述进程中与所述发送进程不同的作为接收进程的另一个进程发送一数据时，所述中央进程接收所述数据，并通过所述接收进程的进程标识从所述对应关系表中查找所述接收进程的通信连接标识，并通过所述接收进程的通信连接标识将所述数据发送至所述接收进程。

其中所述进程是指在现有技术的操作系统中具体存在的进程中的任意的进程，即本发明中所述进程为实现操作系统功能的具体的各个进程，而且本发明中还建立了一特殊的进程，即中央进程，来专职数据转发的功能。并利用已有的IPC方式将各个进程连接至所述中央进程上，从而构成星型的通信结构。其中各个进程还需要告知中央进程自身的进程标识，所述中央进程记录所述各个进程的进程标识及其对应的通信连接标识。并在两个进程需要通信时，基于目标进程的进程标识所对应的通信连接标识来确定如何发送至所述目标进程中。所以所述中央进程需要维护所述进程标识及其对应的通信连接标识构成的对应关系表，从而能够保证正确地实现各个进程之间数据的转发。

其中所述进程标识用于标识区别各个不同的进程。每个进程均具有唯一的进程标识。所述通信连接标识用于区别各个进程间建立的连接通道，本发明中每个通信连接标识都标识了建立了连接关系的两个进程之间的通信通道。

较佳地，所述IPC方式为无名管道、有名管道、消息队列、共享内存、套接字、信号量或信号通信。

本发明中均是利用现有技术中的IPC方式来实现各个进程和中央进程之间的通信连接。其中各个所述进程可以使用同一种IPC方式连接至所述中央进程，各个所述进程还可以分别使用不同的IPC方式连接至所述中央进程。本发明中对各个进程和中央进程之间的通信连接方式不做任何的限制。

本发明还提供了一种多进程通信连接结构的建立方法，其特点是使用如上所述的多进程通信系统，并包括以下步骤：

S₁₁、一进程和所述中央进程建立通信连接；

S₁₂、所述中央进程将所述进程的通信连接标识和进程标识写入所述对应关系表。

当进程需要与其他任意的进程进行通信时，只需要与所述中央进程连接并在所述对应关系表中登记，就可以实现与任意一进程通信，所以本发明中通过所述建立方法实现增加连接至所述中央进程的进程。并同时增加星型的通信连接结构中节点。

较佳地，所述步骤S₁₁为：

S₁₁₁、所述中央进程建立一本地套接字；

S₁₁₂、所述中央进程监听是否有进程请求连接，若存在，则进入步骤S₁₁₃，否则重复步骤S₁₁₂；

S₁₁₃、请求连接的所述进程和所述中央进程通过本地套接字建立通信连接。

本发明中采用现有的套接字的IPC方式来实现中央进程和进程的连接，其中利用中央进程来监听进程的连接请求，所以不必对各个进程做修改，就可以实现各个进程至中央进程的连接，因此本发明只需要对现有的进程及其通信连接结构做很小的改动就可以实现星型的通信连接结构。

较佳地，所述步骤S₁₂为：所述中央进程将所述本地套接字和所述进程的进程标识写入所述对应关系表。

本发明又提供了一种多进程通信连接结构的建立方法，其特点是使用如上所述的多进程通信系统，并包括以下步骤：

S₂₁、所述中央进程监听是否有进程请求断开连接，若存在，则进入步骤S₂₂，否则重复步骤S₂₁；

S₂₂、所述中央进程和请求断开连接的所述进程断开通信连接；

S₂₃、所述中央进程将请求断开连接的所述进程的通信连接标识和进程标识从所述对应关系表中删除。

在进程彻底退出与其他任何进程的通信时，只需要与中央进程断开连接，所以本发明中还通过所述建立方法还可以减少连接至所述中央进程的进程。并相应地从所述对应关系表中删除所述进程的进程标识及其对应的数据，从而维护对应关系表的有效性。

通过上述增加和减少连接至所述中央进程的方法，可以实现对中央进程所连接的进程的管理，并相应地维护对应关系表。

较佳地，所述步骤S₂₃为：所述中央进程从所述对应关系表中将请求断开连接的所述进程的进程标识和所述进程标识所对应的本地套接字删除。

本发明又提供了一种多进程通信方法，其特点是使用如上所述的多进程通信系统，并包括以下步骤：

S₃₁、所述发送进程在待发送的数据中加入发送进程的进程标识和接收进程的进程标识，并发送至所述中央进程；

S₃₂、所述中央进程从所述数据中提取接收进程的进程标识，并从所述对应关系表中查找对应于所述进程标识的通信连接标识；

S₃₃、所述中央进程通过所述通信连接标识将所述数据发送至所述接收进程。

本发明中一个进程给另一个进程发送数据时，首先将自己进程和目的进程的标识放入数据头位置，构成转发信息，然后再通过该进程与中央进程之间的通信连接将数据发送给中央进程。

所述中央进程从接收数据中提取数据头，但是并不剥离所述数据头，从而使得所述接收进程接收全部数据后，仍然保留有转发信息，当所述接收进程需回复所述发送进程时，只需从接收数据的转发信息头中提取发送进程标识，就可以方便的构建回复数据中的转发信息，并通过上述所述通信方法将回复数据发送给所述原发送进程。这样，可以实现两个进程间实际中最为常见的“请求-回复”双向通信关系。从用户角度观察，此时中央进程对所述接收数据的转发和两个进程间通信是透明的。此后所述中央进程检查转发信息，确定目的进程，从通信连接标识和通信连接标识的对应关系表中查找到目的进程和中央进程之间的通信连接，然后由中央进程将数据通过该通信连接发送到目的进程。

由上述技术方案可见，在构建的星型的通信连接结构中，有一个唯一的中央转发进程，可以实现系统中任两个进程间通信，从而和上所述的多进程系统中网状的通信关系具有相同的效果。

较佳地，所述通信连接标识为套接字。

较佳地，所述步骤S₃₁为：

S₃₁₁、所述发送进程在待发送的数据中加入发送进程的进程标识和接收进程的进程标识；

S₃₁₂、所述发送进程封装所述待发送的数据，并发送所述封装后的待发送的数据至所述中央进程。

本发明的积极进步效果在于：

本发明的多进程通信系统及其建立方法，通过利用已有的IPC方式，在多个进程之间构建了一种星型的通信连接结构，通过中央进程的数据转发来实现各个进程之间数据通信，因此本发明中仅在各个进程和中央进程之间建立IPC实例。所以不再需要在各个进程中建立大量的IPC实例来实现进程间的数据通信，因此克服现有网状的通信连接结构所带来的弊端。

而且每个进程只有一个通信连接并连接到中央进程，所以通信连接只涉及到该进程和中央进程，系统中IPC实例数将显著减少，所以也节省了系统资源。此外这种通信连接相对于不同进程之间的各种各样的通信连接的结构更加简单单一，所以更加易于实现。

本发明的多进程通信系统及其通信方法，利用中央进程所维护的对应关系表来实现中央进程能够准确的将发送进程发送的数据转发至接收进程中。

此外还由于每个进程都直接连到中央进程，所以通信故障容易检测和隔离，可很方便地定位有故障的进程进行处理。例如当中央进程向某个进程发送数据时，若发送失败，则可以认为所述进程存在故障。

附图说明

图1为现有技术中多进程通信的连接结构的示意图。

图2为本发明的较佳实施例的多进程通信系统的通信连接结构示意图。

图3为本发明的较佳实施例的多进程通信连接结构建立的流程图。

图4为本发明的较佳实施例的多进程通信连接结构建立的流程图。

图5为本发明的较佳实施例的多进程通信的流程图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

实施例：

本实施例中利用一中央进程来实现多进程通信系统中任两个进程间通信，从而构建了如图2所示的星型的通信连接结构。本实施例中多进程通信系统中的各进程通过点到点的方式连接到所述中央进程上，由该中央进程向目的进程转发数据。中央进程执行集中式通信转发策略，因此在星型的通信连接结构中任何两个进程不能直接通信，实际进行通信都必须经过中央进程控制，一个进程如果向另一个进程发送数据，首先将数据发送到中央进程，然后由中央进程将数据转发到目的进程。

所以如图2所示，在本实施例中的多进程通信系统中，进程A、进程B、进程C、进程D、进程E、进程F和进程G分别连接至一中央进程。

其中所述中央进程维护一对应关系表，所述对应关系表中存储有各个所述进程的通信连接标识和进程标识。即所述对应关系表中存储了所述进程A、进程B、进程C、进程D、进程E、进程F和进程G的进程标识及其所对应的通信连接标识。

所述中央进程在接收到需要转发的数据时，基于需要接收所述转发的数据的接收进程的进程标识，从所述对应关系表中查找对应于所述进程标识的通信连接标识，并通过所述通信连接标识将转发的数据发送至所述接收进程中。

而且本实施例中采用套接字的IPC方式实现各个进程和所述中央进程的连接，所以本实施例中所述通信连接标识均为套接字。

所以本实施例的多进程通信系统在构建星型的通信连接结构时，所述进程A、进程B、进程C、进程D、进程E、进程F和进程G分别通过以套接字方式连接至所述中央进程中，并且中央进程在对应关系表中记录所述进程的进程标识及其对应的套接字。

此后若需要从已经构建的星型的通信连接结构中删除进程时，除了需要将中央进程与所述需要删除的进程断开连接外，还需要在对应关系表中删除所述需要删除的进程的进程标识及其对应的套接字。

因此如图3所示，本实施例的从已经构建的星型的通信连接结构中删除进程的过程中包括以下步骤：

步骤11，所述中央进程监听是否有进程请求断开连接，若存在，则进入步骤12，否则重复步骤11。

步骤12，所述中央进程和请求断开连接的所述进程断开通信连接。

步骤13，所述中央进程从所述对应关系表中将所述进程的进程标识和所述进程标识所对应的本地套接字删除。

其中步骤12和步骤13的次序可以是改变的，只要所述中央进程既能够完成断开连接又能从对应关系表中删除相应的信息即可。

若需要从已经构建的星型的通信连接结构中连接新的进程时，除了需要将中央进程与所述新的进程连接外，还需要在对应关系表中增加所述新的进程的进程标识及其对应的套接字。

所以如图4所示，本实施例的从已经构建的星型的通信连接结构中增加新的进程的过程中包括以下步骤：

步骤21、所述中央进程建立一本地套接字。

步骤22，所述中央进程监听是否有进程请求连接，若存在，则进入步骤23，否则重复步骤22。

步骤23，请求连接的所述进程和所述中央进程通过本地套接字建立通信连接。

步骤24，所述中央进程将所述本地套接字和所述进程的进程标识写入所述对应关系表。

其中步骤23和步骤24的次序可以是改变的，只要所述中央进程既能够完成连接又能在对应关系表中加入相应的信息即可。

而且所述步骤21和步骤22可以采用如下所述的程序语言代码实现：

并且所述步骤23也可以采用如下所述的程序语言代码实现：

此外在本实施例中已经构建的星型的通信连接结构中，任意两个进程之间需要通信时，发送数据的进程将自身的进程标识和目的进程的进程标识放入数据头位置，构成转发信息，然后再通过所述发送数据的进程与中央进程之间的通信连接将数据发送给中央进程。

此后中央进程从接收数据中提取数据头，检查转发信息，确定目的进程的进程标识，然后从对应关系表中查找到目的进程的进程标识所对应的套接字，所述套接字标识了目的进程和中央进程之间的通信连接，所以此后由中央进程将数据通过该套接字发送数据到目的进程中。

所以如图5所示，本实施例中任意两个进程之间通信的过程中包括以下步骤：其中将发送数据的进程作为发送进程，将目的进程作为接收进程。

步骤31，所述发送进程在待发送的数据中加入发送进程的进程标识和接收进程的进程标识。

步骤32，所述发送进程封装所述待发送的数据，并发送所述封装后的待发送的数据至所述中央进程。

步骤33，所述中央进程从所述数据中提取接收进程的进程标识，并从所述对应关系表中查找对应于所述进程标识的套接字。

步骤34，所述中央进程通过所述套接字将所述数据发送至所述接收进程。

其中步骤31和步骤32可以封装一个通用函数sendmessage(int fd,structmsg_header*msg)来屏蔽发送数据的细节。sendmessage()函数实现代码参考如下：

本实施例中对数据的封装使得函数调用者不必了解发送数据的细节，事实上，发送数据时还需要计算实际数据长度，甚至也可能需要追加其他附加信息等等，这些都可以封装在该通用函数中，而不必让调用者知道。

而且步骤31和步骤32中调用sendmessage()函数发送数据的参考代码如下：

此外步骤33和步骤34中的转发过程可以封装在routemessage(structmsg_header*msg)函数中，参考代码如下：

代码基于对应关系表中查找到接收进程和中央进程之间的连接套接字，然后由中央进程将数据通过该套接字发送到接收进程中。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多进程通信系统，其特征在于，所述多进程通信系统包括一中央进程和多个进程；

其中各个所述进程分别通过IPC方式连接至所述中央进程；所述中央进程将各个进程的通信连接标识和进程标识写入一对应关系表；

当所述进程中任一个进程作为发送进程向所述进程中与所述发送进程不同的作为接收进程的另一个进程发送一数据时，所述中央进程接收所述数据，并通过所述接收进程的进程标识从所述对应关系表中查找所述接收进程的通信连接标识，并通过所述接收进程的通信连接标识将所述数据发送至所述接收进程。

2.如权利要求1所述的多进程通信系统，其特征在于，所述IPC方式为无名管道、有名管道、消息队列、共享内存、套接字、信号量或信号通信。

3.一种多进程通信连接结构的建立方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的多进程通信系统，并包括以下步骤：

S₁₁、一进程和所述中央进程建立通信连接；

S₁₂、所述中央进程将所述进程的通信连接标识和进程标识写入所述对应关系表。

4.如权利要求3所述的多进程通信连接结构的建立方法，其特征在于，所述步骤S₁₁为：

S₁₁₁、所述中央进程建立一本地套接字；

S₁₁₂、所述中央进程监听是否有进程请求连接，若存在，则进入步骤S₁₁₃，否则重复步骤S₁₁₂；

S₁₁₃、请求连接的所述进程和所述中央进程通过本地套接字建立通信连接。

5.如权利要求4所述的多进程通信连接结构的建立方法，其特征在于，所述步骤S₁₂为：所述中央进程将所述本地套接字和所述进程的进程标识写入所述对应关系表。

6.一种多进程通信连接结构的建立方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的多进程通信系统，并包括以下步骤：

S₂₁、所述中央进程监听是否有进程请求断开连接，若存在，则进入步骤S₂₂，否则重复步骤S₂₁；

S₂₂、所述中央进程和请求断开连接的所述进程断开通信连接；

S₂₃、所述中央进程将请求断开连接的所述进程的通信连接标识和进程标识从所述对应关系表中删除。

7.如权利要求6所述的多进程通信连接结构的建立方法，其特征在于，所述步骤S₂₃为：所述中央进程从所述对应关系表中将请求断开连接的所述进程的进程标识和所述进程标识所对应的本地套接字删除。

8.一种多进程通信方法，其特征在于，使用如权利要求1所述的多进程通信系统，并包括以下步骤：

S₃₁、所述发送进程在待发送的数据中加入发送进程的进程标识和接收进程的进程标识，并发送至所述中央进程；

S₃₂、所述中央进程从所述数据中提取接收进程的进程标识，并从所述对应关系表中查找对应于所述进程标识的通信连接标识；

S₃₃、所述中央进程通过所述通信连接标识将所述数据发送至所述接收进程。

9.如权利要求8所述的多进程通信方法，其特征在于，所述通信连接标识为套接字。

10.如权利要求8所述的多进程通信方法，其特征在于，所述步骤S₃₁为：

S₃₁₁、所述发送进程在待发送的数据中加入发送进程的进程标识和接收进程的进程标识；

S₃₁₂、所述发送进程封装所述待发送的数据，并发送所述封装后的待发送的数据至所述中央进程。

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