一种基于Linux内核的多点到多点数据发布和订阅方法
【技术领域】
[0001]本发明属于数据通信领域，尤其涉及在多任务操作系统环境下，任务间通信的方法。
【背景技术】
[0002]Linux操作系统是多用户、多任务操作系统，广泛应用在各种通信和电子设备上。在多任务操作系统上，多个任务并发协同工作，可有效提高硬件平台的使用效率和业务的处理能力。但是同时，多任务并发协同工作，为设计人员带来了任务间同步和任务间通信的要求。
[0003]Linux操作系统下，常用的任务间通信(IPC)方法包括信号量、管道、共享内存、消息队列和套接字(Socket)，每种通信方式的特点如下:
[0004]信号量:信号量是一种异步通信机制，任务不需要执行任何操作来等待信号的到达。信号异步通知接收信号的任务发生了某个事件，然后操作系统将会中断接收到信号的任务的执行，转而去执行相应的信号处理程序。信号通知任务发生某种事件，无法传输大量数据。
[0005]管道:管道是一种半双工的通信方式，数据只能单向流动，而且只能在具有亲缘关系的任务间使用。
[0006]共享内存(shared memory):共享内存就是映射一段能被其他任务所访问的内存，这段共享内存由一个任务创建，但多个任务都可以访问。共享内存是最快的IPC方式，它是针对其他任务间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号量，配合使用，来实现任务间的同步和通信。
[0007]套接字:套接字通过TCP/IP协议进行数据通信，可用于不同CPU间任务和同一个CPU上多任务之间的通{目；
[0008]消息队列:消息队列是一个消息的链表，具有特定的格式及特定的优先级，写任务可以向消息队列中写入数据，读任务可以从消息队列冲读取消息；
[0009]各种通信方式都有其特点，因此，适合在各种不同通信需要情况下使用。例如:管道只能在具有亲缘关系的任务间使用，只支持单项数据流，管道所传送的是无格式字节流，不区分消息的边界；共享内存适合任务间大数据量的交互，但是由于多个任务可以同时访问同一块内存，数据的安全性和一致性需要严密的任务间同步来保证；套接字适合不同主机任务间通信，但是对于同一主机上的任务，套接字的网络特征却成了累赘，数据的传输要经过复杂的TCP/IP协议封装，各层报头封装，CRC校验和确认等等特征都降低了通信的传输效率；消息队列效率较高，但是，同一任务无法通过异步通知模型同时访问多个消息队列，而且消息队列只支持点对点数据通信，无法实现一点对多点或者多点对多点的数据通信。
【发明内容】
[0010]本专利的目的是提出一种轻量级的、高效率的、支持异步通知模型的、多点对多点的任务间通信方法，称为多点到多点数据发布和订阅方法。
[0011]本发明通过以下技术方案来实现上述目的:一种基于Linux内核的多点到多点数据发布和订阅方法，包括以下步骤:
[0012]SliLinux系统加载内核模块，在其文件系统中生成发布文件和订阅文件，在内核中生成邮箱池；
[0013]S2: 一个或多个发布任务分别进行发布数据准备，一个或多个接收任务分别进行订阅数据准备；
[0014]S3:一个或多个发布任务分别发送数据并将数据写入Linux内核，Linux内核通知每个接收任务分别接收数据，每个接收任务分别接收并读取数据，所有的接收任务均读取数据之后，Linux内核将数据删除。
[0015]其中，步骤S2中的发布任务进行发布数据准备具体为:
[0016]S201:发布任务打开发布文件，根据发布文件在邮箱池中查找与要创建的邮箱名称相同的邮箱，若找到，则将该邮箱的地址返回给发布任务；若未找到，则执行步骤S202 ;
[0017]S202:在内核中创建以该名称命名的邮箱，将邮箱插入邮箱池，然后为邮箱创建若干报头和若干报文，在邮箱的预留空间中登记发布任务的个数和接收任务的个数，将创建的邮箱的地址返回给发布任务。
[0018]其中，步骤S2中的接收任务进行订阅数据准备具体为:
[0019]S211:接收任务打开订阅文件并生成订单，订单中包含内核等待队列；
[0020]S212:根据订阅文件在邮箱池中查找与要订阅的邮箱名称相同的邮箱，若找到，则将生成的订单保存到该邮箱中；若未找到，则执行步骤S213 ；
[0021]S213:在内核中创建以该名称命名的邮箱，将邮箱插入邮箱池，然后为邮箱创建若干报头和若干报文，在邮箱的预留空间中登记发布任务的个数和接收任务的个数，将生成的订单保存到创建的邮箱中；
[0022]S214:将订单地址返回给接收任务；
[0023]S215:接收任务通过poll函数等待在订单的内核等待队列上。
[0024]其中，在内核中创建以该名称命名的邮箱，将邮箱插入邮箱池，然后为邮箱创建若干报头和若干报文，具体为:
[0025]S221:根据邮箱的数据结构在内核中为邮箱申请内存，给邮箱命名，在邮箱中预留多个空间分别保存发布任务数量、接收任务数量、空闲报文列表、空闲报头列表和订单；
[0026]S222:将邮箱插入邮箱池；
[0027]S223:根据报文的数据结构在内核中为报文申请内存，在报文中预留多个空间分别保存报文的承载能力、承载数据后报文的大小、订单的数量和发布任务的数据；
[0028]S224:将报文插入邮箱的空闲报文列表；
[0029]S225:根据报头的数据结构在内核中为报头申请内存，在报头中预留空间保存报文；
[0030]S226:将报头插入邮箱的空闲报头列表。
[0031]其中，步骤S3中发布任务将数据写入Linux内核具体为:
[0032]S31:发布任务查找要写入数据的邮箱，根据邮箱中的订单判断是否有接收任务订阅该数据，若没有，则发送终止；若有，执行步骤S32 ;
[0033]S32:根据空闲报文列表从邮箱中获取空闲的报文，判断该报文的承载能力是否满足需求，若满足，将数据保存到该报文中；若不满足，释放该报文并获取新的报文，将数据保存到新的报文中，更新邮箱中接收任务的数量；
[0034]S33:根据邮箱中的订单数量获取空闲的报头，将添加数据后的报文分别保存到每个报头中，在每个订单中插入一个添加该报文的报头；
[0035]S34:唤醒所有订单中的内核等待队列。
[0036]其中，所述步骤S3中接收任务读取数据具体为:接收任务从订单中获取数据，每次获取数据后将报文中的接收任务数量减1，并将订单中的报头插回邮箱的空闲报头列表，当接收任务数量为O时清除报文中的数据并将报文插回邮箱的空闲报文列表。
[0037]本发明方法相对于【背景技术】的优点:
[0038](I)本方法在Linux内核中实现，以内核模块的形式存在，大量使用了双向内核消息队列，方便了数据的检索，提高了数据存储和访问的效率。
[0039](2)本发明的内核模块为用户态的任务提供了文件访问接口，任务通过打开，关闭，1ctl,读，写和Poll操作使用内核模块，实现多任务间通信。
【附图说明】
[0040]图1为本发明的所有任务初始化之后内核中的数据结构；
[0041]图2为本发明实施例发布任务A或者发布任务B发布数据报，接收任务D和接收任务E获取数据报过程中内核中的数据结构；
[0042]图3为本发明邮箱的数据结构；
[0043]图4为本发明报头的数据结构；
[0044]图5为本发明订单的数据结构；
[0045]图6为本发明报文的数据结构。
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细的说明。
[0047]本文通过举例的方式描述本发明的内容和实施方式。假设应用层的发布任务为三个，接收任务为两个，分别为发布任务A、发布任务B、发布任务C、接受任务D和接受任务E。发布任务A和发布任务B同时发布的邮箱名称为“MSGQ_TEST1”，发布任务C发布的邮箱名称为“MSGQ_TEST2”，接收任务D和接收E同时订阅的邮箱名称为“MSGQ_TEST1”。
[0048]一种基于Linux内核的多点到多点数据发布和订阅方法，具体过程如下:
[0049]1.内核启动，系统自动加载内核模块:
[0050]a)在文件系统内生成“发布文件”；
[0051]b)在文件系统中生成“订阅文件”；
[0052]c)在内核中生成双向链表表头数据邮箱池，并且对邮箱池进行初始化；
[0053]2.发布任务进行发布数据准备，为发布任务A、发布任务B和发布任务C写数据创建内核资源；接收任务进行订阅数据准备，为接收任务D和接收任务E读数据的任务创建资源；
[0054](I)发布任务进行发布数据准备具体为:
[0055]a)发布任务A打开“发布文件”；
[0056]b)发布任务A调用1ctl，并进行数据发布初始化工作；
[0057]c)内核获取名称为“MSGQ_TEST1”，该数据报对应的邮箱名称为“MSGQ_TEST1” ；
[0058]d)发布任务A扫描邮箱池，如果存在名称为“MSGQ_TEST1”的邮箱，则返回该节点指针；如果不存在名称为“MSGQ_TEST1”的邮箱，则在内核中生成一个新的邮箱；
[0059]e)初始化邮箱的数据结构(邮箱的数据结构如图3所示)，具体包括:
[0060]I)在邮箱的邮箱名称域保存新生成的邮箱的名称“MSGQ_TEST1”，在邮箱的发布任务数量域保存发布该数据的任务数量(初始为O)，在邮箱的订单数量域保存订阅该数据的任务数量(初始为O)，在邮箱消息统计域统计数据报发送次数(初始为O);
[0061]2)在邮箱中初始化三个双向链表头，分别为订单链表头、空闲报文链表头和空闲报文链表头；订单链表头用于串联所有订单的信息，空闲报文链表头链表用于串联空闲的报文，空闲报头链表头用于串联空闲的报文；
[0062]f)通过邮箱中的链表节点域将新生成的邮箱插入邮箱池链表；
[0063]g)将订单链表和空闲报文链表初始化为空链表，初始化若干报头并将其添加到空闲报头链表上，初始化报头数据结构；报头数据结构如图4所示；
[0064]初始化报头数据结构具体为:将报头的报文指针域初始化为空；
[0065]h