从IPC到分布式软总线的随笔

在Linux 系统中， 客观来说，缺乏相对开发者比较友好的进程间通信框架。谈到Linux上进程间通信，一般都会想起管道（匿名、有名）、信号/信号灯、共享内存、消息队列和socket。这些都是偏低层的技术，有没有方便开发者使用的技术或者框架呢？软件总线以及分布式软总线或许是一种不错的候选。

Linux 中的进程间通信一瞥

Linux环境下通信机制众多，各种通信方式都有其适用的场合。

管道是Linux支持的最初Unix IPC机制之一，是实现方法最简单的一种通信机制。但是，只能以半双工的形式在进程间进行通信。

信号是多种通信机制中唯一一种异步方式进行通信的机制。信号方式通信传输的数据量较少，侧重于控制进程根据不同的信号触发不同的行为。

消息队列是在内核中开辟的一组链表，以队列的形式接收和发送信息，适用于传输数据量较少的场合。消息队列与管道通信相比，其优势是对每一个消息可以指定特定消息类型，接收的时候不需要按队列次序，而是可以根据自定义条件接收特定类型的消息。但在消息信息的发送进程—操作系统内核和内核—接收进程间复制时需要额外占用CPU的时间。

共享内存通信机制在进程间可以传送大量的数据，并且由于读写进程均将共享内存块视为本进程所有，可直接读写，因此传输速度最快。但由于多个进程对共享内存块的访问必须以互斥形式进行，因此还需要信号量机制予以配合。

信号量机制通过信号量值的变化来控制多进程互斥的访问共享资源，或者协调多个进程并发执行的节奏，并未在进程之间实际的传输数据。

基于 Socket 的进程间通信机制是现在所有网络操作系统必不可少的基础功能，大多数现代进程间通信框架都是基于Socket 完成的。

久远一点的DCOP

大约从KDE2.0 开始，都包含了非常强大的部件，叫做“Desktop COmmunication Protocol”，简称为 DCOP，从开发者的角度来看，利用 DCOP 可以很方便地将强大的脚本功能添加到应用程序中。从用户的角度来看，利用 DCOP 可以容易地控制 KDE 应用程序，并可以将它们以强大而有趣方式组合起来。

就其本质而言，DCOP 是一个操作于socket之上的轻量级进程间通信机制，由一个服务器（即 dcopserver，它在 KDE 启动时会自动启动）和任意多个客户端（支持 DCOP 的应用程序）构成。DCOP客户段之间可以通过服务器互相发送消息，要求执行函数，等等。

kdebindings 软件包中含对 Java 的 Qt/KDE 绑定，可以在 Java 中使用 Qt/KDE 类，还包括对 C、Perl、Python 的绑定，也可以在这些语言中使用 DCOP，还包括了 XParts，将非 KDE 应用程序作为一个 KPart 嵌入使用。

DCOP 一般用于动态管理Linux运行时软件配置框架，一般的Linux软件在运行时读取配置文件后，所有的参数不可再次调整，而Dcop能够在启动软件后，再次根据需求去配置软件各项参数。

普遍使用的D-Bus

现如今，在Linux 中使用广泛的D-Bus 又是什么呢？ 

D-Bus是一个有面向对象接口的协议框架,以及应用程序用户互相发现和监视的守护进程。也就是说，这是一个进程间的通讯系统，是由两个守护进程，一个是系统范围，一个是用户会话范围，提供了生命周期内的跟踪、服务激活、安全检查等高级功能。这样的守护进程可以启动服务以便给其它程序提供某些功能。D-Bus 可以看作DCOP的升级版，比DCOP要复杂一些，而且DCOP主要用作桌面应用之间的通信。

但是，D-bus 也不是一个普遍适用的通讯系统，这一点和Corba等明显不同。在设计之初，D-Bus 设计被用来作为用户交互接口与系统服务之间的解耦和通信，以及系统服务之间的通信。对于 D-Bus而言，由于不信任对端发来的数据，一定要做复杂的校验，导致比直接使用socket读写数据慢2.5倍，甚至比DCOP乃至Corba等通讯机制都要慢一些。

Corba，又是一个久远的存在，20多年前的Corba 实现Orbit都要比D-Bus快，Corba和D-Bus都使用了二机制的通讯协议，但Corba 更通用和开放。然而，D-Bus很多地方都是硬编码，所以D-Bus要比Corba简单得多。

DCOM 是Windows 下的IPC系统，类似于Corba，由于老码农已经多年不涉及Windows 平台的软件开发了，也不知道现在发展到怎样的程度了。

面向嵌入式的ubus

OpenWrt 提供的ubus，类似于Linux桌面系统的D-Bus，目标也是提供系统级的进程间通信功能。在设计理念上基本一致，但与D-Bus相比减少了内存空间的占用，可以更适合嵌入式Linux低内存和低CPU性能的特殊环境。

ubus是OpenWrt的RPC工具大约是在2011年加入OpenWrt中的。为了提供各种后台进程和应用程序之间的通信机制，ubus模块由3部分组成：

• ubusd精灵进程。

• ubus接口库

• ubus命令行工具

ubus模块的核心是ubusd精灵进程，在系统启动时运行，负责进程间的消息路由和传递。其他进程注册到 ubusd进程进行消息的发送和接收，这个接口是用L文件socket和TLV收发消息来实现的。每一个进程在指定命名空间下注册自己的路径。每一个路径都可以提供带有各种参数的多个函数处理过程，函数处理程序可以在完成处理后返回消息。

ubus提供的功能主要有以下4个方面：

• 提供注册对象和方法供其他实体调用。

• 调用其他应用程序提供的注册对象的控制接口。

• 在特定对象上注册监听事件。

• 向特定对象发送事件消息。

ubus主要用于两个进程之间的通信，能够以JSON格式和用户进行数据交换，不用关心消息的实际传输格式。ubus代码基于LGPL2.1发布，在OpenWrt 12.09版开始正式使用。

面向内核环境的KDBUS

kdbus是在内核里实现的D-Bus，可传输大数据块乃至GB级的消息流，可做到消息传递的零拷贝，在最坏情况下，一条消息及其回复过程不超过2次拷贝，2次验证和2次上下文切换。全部的凭据信息（用户ID，进程ID，cgroup信息，权限等）随每个消息传递，而且所有消息都有时间戳。

kdbus在内核中作为一个字符设备，先要open设备，再调用mmap()将一个消息传递区域映射到自己的地址空间。消息在这个区域组装后交给内核传输，内核简单地将消息从一个进程映射的区域拷贝到另一个进程的区域。一般地，kdbus通过memfd机制实现消息传递的零拷贝。memfd是一块带有文件描述符的内存区域，可以被“密封”，即拥有它的进程不能再改变其内容。要传递一条消息，进程先在memfd区域构造消息，密封，然后交给kdbus传输。内核可以把相应的内存页面映射到接收进程的地址空间，从而避免拷贝数据，这取决于消息的大小。消息比较小时内存映射的开销比较大，这时是直接拷贝数据。消息还可以携带对收到回复的时间限制（“方法调用窗口”）。

由于处于内核中，kdbus随时可用，不需要类似D-Bus那样的守护进程启动，Linux安全模块可以直接与其挂钩，可避免竞态条件，API也得到了简化。另外，kdbus信号广播机制采用布隆过滤器来选择接受者，也提高了广播的效率。

遗憾的是， kdbus 曾经试图合入到主流发行版的内核中，但好像没有成功，前景又让人有点捉摸不透了。

面向分布式系统的FDBUS

FDBus提供了分布式的进程间通信机制，支持跨主机的C/S通信，使用服务名而非物理地址作为寻址方式，通过各种服务和心跳重连机制确保连接的动态性和可靠性，进而保证系统内的节点可以动态增删与部署，可以任意重启，无需管理启动顺序和依赖，通信各方都能保持连接，从而把各个分立的模块组成一个牢固的整体。

从进程间通信视角来看，FDBus和的D-Bus类似，但功能更齐全，性能更高，使用更便利，除了支持主机内的IPC，还能在多个主机之间组网。FDBus构建于socket(Unix和TCP)之上，采用protocol buffer来支持各种复杂的数据类型，也支持raw data格式，便于大量数据传输。FDBus 采用IDL来定义接口并支持自动代码生成，大大降低序列化和反序列化工作，而且支持安全策略，对访问区划分了安全等级，确保整个系统的安全性。

FDBus支持字符串形式的名字作为server地址，通过类似DNS作用的name server自动为server分配Unix domain地址和TCP端口号，实现client和server之间以服务名称进行寻址。其高性能主要体现在点对点直接通信，不通过中央Hub或Broker进行转发，目前已经在Windows，Linux和QNX上得到了验证。作为C/S模式，支持如下通信模式：

• 带超时的同步请求/应答

• 带超时的异步请求/应答

• 无应答的命令请求

• 订阅模式，实现多点广播

FDBus不仅仅是IPC机制，也是一个中间件开发框架，包含开发中间件过程中经常用到的公共组件和基础模型，提供了跨平台且功能强大的支持。源码开放之后，FDBus经过更多开发者的使用、测试和改进，逐渐成为众多中间件开发框架的候选之一。

xBus 与软件总线

除了早期的DCOP，上面的几种进程间通信机制都命名为xBus，为啥呢？在计算机领域，Bus 一词最早出现在硬件架构中， 代表总线，是一组能为多个部件分时共享的公共信息传送线路。

从总线所处的位置来看，分为片内总线和片外总线。片内总线是CPU内部的寄存器、算术逻辑部件、控制部件以及总线接口部件之间的公共信息通道，片外总线则泛指CPU与外部器件之间的公共信息通道，我们谈到的总线一般指的是片外总线。

从总线传输方式的设计视角来看，计算机总线有串行总线和并行总线，可以由一个或多个通道组成，每个通道是单线连接，数据的传输方式将根据通道的数量而有所不同。

从通信用途的视角来看，总线又可以分为3种：地址总线、数据总线、控制总线。地址总线用于指定CPU将要操作的内存地址；数据总线用于读写内存的数据，控制总线用于发送和接受信号，比如中断、设备复位等信号，CPU收到信号后进行响应，这时则需要控制总线。

在CPU、内存与外设确定的情况下，计算机的总线速度是制约计算机整体性能的关键。

计算机的软件总线是一种虚拟的存在，它是在计算机硬件总线的功能含义类比的基础上得到的定义。软件总线是软件工程人员为了进一步保证软件系统建设的规范性，以及提高计算机系统的应用价值而提出的一种设计理念。软件总线可以将各种软件进行相互连接，组成一个通用的操作平台，通常表现为一个接口界面。作为一种软件模块，软件总线为各个软件组成部分进行准确的数据传输，同时为各种软件提供虚拟共享的通道和接口。

软件总线源于分布式异构环境的搭建所提出的，软件复用、构件化以及面向对象技术的发展促进了它的形成。软件总线只是对软件的构件进行组装而不是更改，这不仅有效的提高了软件开发的工作效率，缩短了软件开发的周期。前面提到的各种xBus，都可以看作软件总线的一种实现。

HarmonyOS的分布式软总线

鸿蒙的分布式软总线是为了解决所有1+8+N设备之间的互联互通问题，在华为提出的1+8+N中：1指的是手机，8指的是车机、音箱、耳机、手表/手环、平板、大屏、PC、AR/VR，N指的是其他IOT设备。一般情况下，用户都是通过手动操作的方式进行设备之间的连接，随着外围设备越来越多，手动操作的方式不方便，甚至会影响用户的体验。HarmonyOS的分布式总线技术是为了能够让所有的设备之间能够方便、高效的互联。

HarmonyOS分布式软总线最主要的功能包括：发现、连接、组网/拓扑管理、任务总线、数据总线。其中，”发现”指的是搜索周围是否有相关设备；”连接”指的是与所发现的设备建立连接；”组网/拓扑管理”指的是对所有发现的设备进行网络拓扑管理，比如组成星状网络拓扑，或者是组成Mesh网络拓扑。”任务总线”指的是在所建立的网络拓扑基础上，用于传输小数据量信息的通路。”数据总线”指的是用于传输较大数据量信息的通路。发现与组网是分布式软总线的核心术，目前没有开到公开的细节信息。

把众多外围设备连接形成网络后，需要保证各个设备在时间上的同步。尤其是IoT设备，由于成本方面的原因，晶振的质量可能比较差，会存在相对较大的频率漂移。分布式软总线关键技术之一是时钟同步算法，将不同设备原本不同步的时钟做到统一同步。在软时钟算法的同步下，就可以进行资源的调度。软总线技术中提出了LaneHub的概念，可以理解为调度管理各通信通路的模块。通过软总线的LaneHub可以对这不同连接方式的设备进行统一调度，达到减少干扰、提升速率的目的。

在分布式软总线的基础上，华为提出了”超级终端”的概念，就是通过分布式软总线技术将手机外围的其他相关设备连接在一起，形成了所谓的”超级终端”，即个体终端变成了群体终端。

一句话小结

尽管“一切程序都会归于系统调用”，但软件工程的效率提升是业界不变的追求，从进程间通信到分布式软总线也是如此，或许，基于FDBUS就可以相对容易地开发出类似HarmonyOS的分布式软总线呢。

【参考资料与关联阅读】

• https://gitee.com/Janisa/Dcop/

• http://dbus.freedesktop.org/doc/dbus-faq.html

• https://github.com/skawu/fdbus

• https://git.openwrt.org/project/ubus.git

• https://developer.harmonyos.com/

• https://www.bilibili.com/video/BV16b4y1h75z?spm_id_from=333.999.0.0 

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