【Linux 物联网网关主控系统-Linux主控部分（三）】

三万棵雪松2026-04-04 20:06

Linux 物联网网关主控系统-Linux主控部分（三）

一、进程间通信

1.历史和分类

Linux 的进程间通信机制源自 UNIX 两大经典派系的改进与扩充，是对原有机制的全面继承：

早期 UNIX：仅支持管道、有名管道、信号三种基础通信方式，功能简单，适用场景有限；

AT&T 贝尔实验室：基于早期方式改进，形成System V IPC，特点是通信进程仅限单个计算机内，核心包含共享内存、消息队列、信号灯；

BSD（加州大学伯克利分校）：创新实现基于套接字（socket）的通信机制，支持计算机之间的跨主机进程通信，突破了单主机限制。

Linux 整合了上述所有 UNIX 通信方式，按特性和溯源分为三大类，也是实际开发中最常用的方式，其中System V IPC是本项目的核心使用类型：

2.IPC 对象核心通用特性（System V IPC 专属）

共享内存、消息队列、信号灯均为IPC（Inter-Process Communication）对象，拥有统一的核心操作逻辑和特性，是区别于传统 IPC 的关键：

1.标识体系：通过key_t类型的key 值唯一关联 IPC 对象，key 值可由ftok()函数生成（基于路径 + 字符），也可使用IPC_PRIVATE（私有键）；

2.操作流程：所有 IPC 对象遵循统一三步操作------ 通过 key 值打开 / 创建 IPC 通道→通过 IPC 对象 ID访问 / 操作通道→通过控制函数管理 / 删除 IPC 对象；

3.生命周期：由内核维护，创建后若不手动删除，会一直保留在系统中，直至系统重启，因此使用后必须手动释放，避免资源泄漏。

✅ 只有共享内存、消息队列、信号灯 是 System V IPC 对象，有这 3 个专属共性；

❌ 管道、有名管道、信号、socket 都不是，没有这些共性，各玩各的。

其他 IPC 方式的核心区别：

没统一的 key/ID，用文件描述符、路径等方式访问；

进程退出 / 关闭句柄，内核会自动回收资源，不用手动删；

各自操作逻辑完全不同，没有统一规范。

3.IPC 对象的系统操作工具

Linux 提供专用命令，用于查看和删除系统中的 IPC 对象，是开发调试、资源释放的必备工具，核心为ipcs和ipcrm，二者配合使用：

  1. ipcs：查看系统中已存在的 IPC 对象
    通用使用：直接输入ipcs，查看所有类型 IPC 对象（共享内存、消息队列、信号灯）；
    精准查看：ipcs -m（共享内存）、ipcs -s（信号灯）、ipcs -q（消息队列）。
  2. ipcrm：删除系统中指定的 IPC 对象
    核心用法：ipcrm + 类型参数 + IPC对象ID，如ipcrm -m 共享内存ID、ipcrm -q 消息队列ID、ipcrm -s 信号灯ID；
    核心作用：释放 IPC 对象占用的系统资源，解决 "IPC 对象永久驻留内核" 的问题。

二、共享内存

1.核心特点（最核心的两个点）

1.效率最高：内核预留一块公共内存区，进程直接将其映射到自己的地址空间，读写无需数据拷贝，直接操作内存，速度远快于其他 IPC；

2.需同步配合：多进程可同时访问这块内存，无天然的互斥 / 同步机制，必须搭配信号灯（信号量） 使用，防止数据读写冲突。

2.项目实际应用场景

用于zigbee 网络数据的跨进程共享：

1.串口采集线程将 zigbee 的网络环境数据写入共享内存；

2.web/APP 对应的 boa 进程等其他进程，定时从共享内存读取数据；

3.读写规则：读数据不清除原有内容，写数据直接覆盖更新，保证数据实时性。

3.共享内存四步使用流程（固定步骤，所有场景通用）

1.创建 / 打开：通过 key 值创建或打开一块共享内存，得到唯一的内存 ID；

2.映射：将内核的共享内存，映射到当前进程的私有地址空间，进程才能直接读写；

3.撤销映射：进程使用完后，解除自身地址空间与共享内存的关联；

4.删除：手动删除内核中的共享内存对象，释放系统资源（核心，不删则永久驻留）。

对应函数

核心函数 1：shmget（创建 / 打开共享内存）

核心函数 2：shmat（映射共享内存到进程地址空间）

核心函数 3：shmdt（撤销共享内存映射）

核心函数 4：shmctl（控制 / 删除共享内存）

4.示例代码

✅ 正确顺序（共享内存 / 消息队列 完全一样）

先运行 server（创建共享内存 / 消息队列）

再运行 client（访问已创建的对象）

shm-client.c 完整代码

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>

#define SEG_SIZE 1024  // 共享内存段大小，示例中未显式定义，补充完整

int main()
{
    key_t key_info;
    char *mem_ptr;
    int seg_id;

    // 生成唯一键值
    if ((key_info = ftok("/app", 'i')) < 0)
    {
        perror("ftok info");
        exit(-1);
    }

    // 打开已存在的共享内存段
    seg_id = shmget(key_info, SEG_SIZE, 0777);
    if (seg_id == -1) {
        perror("shmget client");
        exit(-1);
    }

    // 映射共享内存到进程地址空间
    mem_ptr = shmat(seg_id, NULL, 0);
    if (mem_ptr == (void *)-1) {
        perror("shmat client");
        exit(-1);
    }

    // 读取共享内存中的数据并打印
    printf("The time, direct from memory: ..%s", mem_ptr);

    // 撤销共享内存映射
    shmdt(mem_ptr);

    return 0;
}

shm-server.c 完整代码

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>

#define SEG_SIZE 1024  // 共享内存段大小，示例中未显式定义，补充完整

int main()
{
    long now;
    int n;
    key_t key_info;
    char *mem_ptr;
    int seg_id;

    // 生成唯一键值
    if ((key_info = ftok("/app", 'i')) < 0)
    {
        perror("ftok info");
        exit(-1);
    }

    // 创建共享内存段（不存在则创建，权限0777）
    seg_id = shmget(key_info, SEG_SIZE, IPC_CREAT | 0777);
    if (seg_id == -1) {
        perror("shmget server");
        exit(-1);
    }

    // 映射共享内存到进程地址空间
    mem_ptr = shmat(seg_id, NULL, 0);
    if (mem_ptr == (void *)-1) {
        perror("shmat server");
        exit(-1);
    }

    // 循环63次，每秒向共享内存写入当前时间
    for (n = 0; n < 63; n++)
    {
        time(&now);                  // 获取当前系统时间
        strcpy(mem_ptr, ctime(&now));// 将时间字符串写入共享内存
        sleep(1);                    // 等待1秒
    }

    // 删除共享内存段
    shmctl(seg_id, IPC_RMID, NULL);

    return 0;
}

三、消息队列

1、核心定位

消息队列是 Linux 内核维护的链表式消息队列，属于 System V IPC 的一种，和共享内存、信号量并列。

  • 核心特点：异步通信，发送方把消息放进队列就可以走，接收方按需从队列取消息，不需要双方同时在线。
  • 核心逻辑：和你刚才的共享内存示例一样，也是服务端 + 客户端的配对模式，通过ftok生成的唯一 key 访问同一个队列。

消息队列在该项目中使用

从web页面或者APP下发的命令，最终要通过串口发送给zigbee网络的终端节点，以控制各种外设，需要考虑以下问题：

所有的命令不能丢失（连续点击页面按钮）

命令需要按照一定顺序排列

zigbee 网络可能延时相比较有点大，不能发送太快

2.消息队列函数调用流程

发送端（msgsnd 侧）

ftok：生成唯一键值

msgget：创建 / 打开消息队列

msgsnd：按自定义消息结构体（含type类型），将消息写入内核队列

msgctl(IPC_RMID)：删除消息队列（收尾）

接收端（msgrcv 侧）

ftok：用相同参数生成同一键值

msgget：打开已存在的消息队列

msgrcv：按指定type（如type=1），从队列中筛选对应类型的消息读取

msgctl(IPC_RMID)：删除消息队列（收尾）

3.核心函数

函数名 函数原型 核心功能 重点参数 返回值
msgget int msgget(key_t key, int msgflg); 创建/打开消息队列 key：键值；msgflg：创建标志+权限 成功：msqid，失败：-1
msgsnd int msgsnd(int msqid, const void *msgp, size_t msgsz, int msgflg); 发送消息 msqid、消息结构体、数据长度 成功：0，失败：-1
msgrcv ssize_t msgrcv(int msqid, void *msgp, size_t msgsz, long msgtyp, int msgflg); 接收消息 msgtyp：消息类型 成功：长度，失败：-1
msgctl int msgctl(int msqid, int cmd, struct msqid_ds *buf); 控制/删除 cmd=IPC_RMID 删除队列 成功：0，失败：-1

4.示例代码

msg-server.c

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>

#define MSG_SIZE 1024  // 消息内容最大长度

// 自定义消息结构体，必须以long mtype开头
struct msgbuf {
    long mtype;
    char mtext[MSG_SIZE];
};

int main()
{
    key_t key_info;
    int msq_id;
    struct msgbuf msg;

    // 1. 生成唯一键值（和共享内存完全一致）
    if ((key_info = ftok("/app", 'i')) < 0)
    {
        perror("ftok info");
        exit(-1);
    }

    // 2. 创建消息队列（对应shmget，加IPC_CREAT）
    msq_id = msgget(key_info, IPC_CREAT | 0777);
    if (msq_id == -1) {
        perror("msgget server");
        exit(-1);
    }

    // 3. 循环发送63条时间消息（对应共享内存server的写操作）
    for (int n = 0; n < 63; n++)
    {
        time_t now = time(NULL);
        msg.mtype = 1;  // 消息类型设为1，客户端按类型1读取
        strcpy(msg.mtext, ctime(&now)); // 把时间写入消息内容

        // 发送消息到队列
        if (msgsnd(msq_id, &msg, strlen(msg.mtext), 0) == -1) {
            perror("msgsnd");
            exit(-1);
        }
        sleep(1); // 每秒发一条
    }

    // 4. 删除消息队列（对应shmctl IPC_RMID）
    msgctl(msq_id, IPC_RMID, NULL);

    return 0;
}

msg-client.c

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/msg.h>
#include <unistd.h>

#define MSG_SIZE 1024

// 必须和服务端完全一致的消息结构体
struct msgbuf {
    long mtype;
    char mtext[MSG_SIZE];
};

int main()
{
    key_t key_info;
    int msq_id;
    struct msgbuf msg;

    // 1. 生成相同的键值，找到同一个队列
    if ((key_info = ftok("/app", 'i')) < 0)
    {
        perror("ftok info");
        exit(-1);
    }

    // 2. 打开已存在的消息队列（不加IPC_CREAT，对应共享内存client的shmget）
    msq_id = msgget(key_info, 0777);
    if (msq_id == -1) {
        perror("msgget client");
        exit(-1);
    }

    // 3. 读取消息（对应共享内存的printf读操作）
    // msgtyp=1：只读取类型为1的消息，和服务端对应
    if (msgrcv(msq_id, &msg, MSG_SIZE, 1, 0) == -1) {
        perror("msgrcv");
        exit(-1);
    }

    printf("The time, from message queue: %s", msg.mtext);

    // 消息队列不需要"解绑"操作，读取后直接退出即可
    return 0;
}

四、信号灯（信号量）

1.核心概念

本项目中的作用

共享内存需要互斥访问

有进程在访问时，其他进程不能访问

信号量初始值为 1

2.核心函数

函数名 函数原型 核心功能 重点参数说明 返回值
semget int semget(key_t key, int nsems, int semflg); 创建 / 打开信号灯集 key：ftok 生成键值；nsems：信号灯集内信号灯数目（PPT 中设 1）；semflg：IPC_CREAT|0666（权限） 成功：信号灯集 ID（semid）失败：-1
semctl int semctl(int semid, int semnum, int cmd, .../union semun arg/); 控制信号灯（初始化 / 获取值 / 删除） semid：信号灯集 ID；semnum：信号灯编号（从 0 开始）；cmd：SETVAL（设值）/GETVAL（取值）/IPC_RMID（删除集）；arg：union semun 类型（初始化值用） 成功：0（SETVAL/IPC_RMID）/ 信号灯值（GETVAL）失败：-1
semop int semop(int semid, struct sembuf *opsptr, size_t nops); 执行 PV 操作（核心） semid：信号灯集 ID；opsptr：struct sembuf 结构体指针（定义 P/V 操作）；nops：操作的信号灯个数（PPT 中设 1） 成功：0失败：-1

3.示例代码

头文件 sem_comm.h（PV 操作封装）

c 复制代码 
#ifndef SEM_COMM_H
#define SEM_COMM_H

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/ipc.h>
#include <sys/sem.h>
#include <sys/shm.h>
#include <unistd.h>

#define SEM_INIT_VAL 1   // PPT：信号量初始值=1

// 信号量必须的联合体
union semun {
    int val;
    struct semid_ds *buf;
    unsigned short *array;
};

// 初始化信号量
int init_sem(int semid, int semnum, int val) {
    union semun un;
    un.val = val;
    semctl(semid, semnum, SETVAL, un);
    return 0;
}

// P操作：-1，加锁
int sem_p(int semid) {
    struct sembuf buf = {0, -1, SEM_UNDO};
    semop(semid, &buf, 1);
    return 0;
}

// V操作：+1，解锁
int sem_v(int semid) {
    struct sembuf buf = {0, 1, SEM_UNDO};
    semop(semid, &buf, 1);
    return 0;
}

// 删除信号量
int del_sem(int semid) {
    semctl(semid, 0, IPC_RMID);
    return 0;
}

#endif

服务端 sem_server.c（创建 + 写共享内存）

c 复制代码 
#include "sem_comm.h"
#define SHM_SIZE 1024

int main() {
    key_t key = ftok(".", 's');
    int semid = semget(key, 1, IPC_CREAT | 0666);
    int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);
    char *shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);

    init_sem(semid, 0, SEM_INIT_VAL);

    // 互斥访问共享内存
    sem_p(semid);
    printf("服务端：正在写入共享内存...\n");
    sprintf(shmaddr, "IPC TEST BY SERVER");
    sleep(3);
    printf("服务端：写入完成\n");
    sem_v(semid);

    sleep(5);

    shmdt(shmaddr);
    shmctl(shmid, IPC_RMID, NULL);
    del_sem(semid);
    return 0;
}

客户端 sem_client.c（读取共享内存）

c 复制代码 
#include "sem_comm.h"
#define SHM_SIZE 1024

int main() {
    key_t key = ftok(".", 's');
    int semid = semget(key, 1, 0666);
    int shmid = shmget(key, SHM_SIZE, 0666);
    char *shmaddr = shmat(shmid, NULL, 0);

    // 互斥读取
    sem_p(semid);
    printf("客户端：读取数据：%s\n", shmaddr);
    sem_v(semid);

    shmdt(shmaddr);
    return 0;
}

五、信号

1.核心概念

信号是软件中断，用于进程间通知、异常处理

简单、携带信息量少，不能传输大量数据

每个信号有 默认处理方式：忽略、终止、暂停、继续

进程可以 自定义信号处理函数（捕捉信号）

当我们按下 ctrl+c 终止主控程序时，希望能够实现如下操作：

进程退出

释放所有申请的资源

互斥锁、条件变量、消息队列、共享内存、信号量、线程、设备文件描述符（摄像头、串口）

2.信号核心函数总表

函数名 函数原型 核心功能 重点参数说明 返回值
signal sighandler_t signal(int signum, sighandler_t handler); 注册信号处理方式 signum：信号编号；handler：SIG_IGN（忽略）/SIG_DFL（默认）/ 自定义函数 成功：旧处理函数地址；失败：SIG_ERR
kill int kill(pid_t pid, int sig); 向指定进程发送信号 pid：目标进程 ID；sig：要发送的信号 成功：0；失败：-1
raise int raise(int sig); 向自己发送信号 sig：信号编号 成功：0；失败：-1
pause int pause(void); 进程阻塞，等待信号 无参数 永远返回 -1
sleep unsigned int sleep(unsigned int seconds); 休眠指定秒数，被信号唤醒会提前返回 seconds：秒数 剩余未休眠秒数

3.常用信号

SIGINT 2 终端中断（Ctrl+C）

SIGQUIT 3 退出（Ctrl+\）

SIGKILL 9 强制杀死进程（不能捕捉、不能忽略）

SIGUSR1 10 用户自定义信号 1

SIGUSR2 12 用户自定义信号 2

SIGALRM 14 闹钟信号

SIGCHLD 17 子进程退出时发给父进程

4.示例代码

signal 程序负责等着收信号（被 Ctrl+C 或 kill 通知）

kill 程序负责主动发信号给别人

signal 标准示例代码

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <unistd.h>

// 自定义信号处理函数
void handle(int sig)
{
    printf("收到信号：%d，我不会退出！\n", sig);
}

int main()
{
    // 注册 SIGINT(Ctrl+C) 的处理方式
    signal(SIGINT, handle);

    printf("等待信号...按 Ctrl+C 测试\n");

    while(1)
    {
        pause(); // 等待信号
    }

    return 0;
}

kill 发送信号示例代码

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <signal.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char *argv[])
{
    if(argc != 3)
    {
        printf("用法：%s <PID> <信号编号>\n", argv[0]);
        return -1;
    }

    int pid = atoi(argv[1]);
    int sig = atoi(argv[2]);

    kill(pid, sig);
    printf("已发送信号 %d 给进程 %d\n", sig, pid);

    return 0;
}

编译运行

bash 复制代码 
gcc signal.c -o signal
./signal

# 另开终端
ps -ef | grep signal
kill -2 进程号

六、总结（进程间通讯方式比较）

signal: 唯一的异步通信方式

msg: 常用于 cs 模式中，按消息类型访问，可有优先级

shm: 效率最高 (直接访问内存)，需要同步、互斥机制

sem: 配合共享内存使用，用以实现同步和互斥

pipe: 具有亲缘关系的进程间，单工，数据在内存中

fifo: 可用于任意进程间，双工，有文件名，数据在内存

相关推荐
萝卜白菜。4 小时前
TongWeb7.0 集中管理heimdall配置文件说明
linux·运维·服务器
北京阿尔泰科技厂家4 小时前
CAN通讯+8路高速模拟量采集：阿尔泰科技DAM-C3054P工业数据采集可靠之选
物联网·can通讯·模拟量采集·工业自动化·仪器仪表·采集模块·传感器信号采集
IMPYLH4 小时前
Linux 的 install 命令
linux·运维·服务器·bash
Zero_Era5 小时前
物联网加密芯片LKT4305GM
物联网·5g
浦信仿真大讲堂5 小时前
CST FAQ 006：Linux系统CST安装指导
linux·运维·服务器·仿真软件·达索软件
zhaoshuzhaoshu5 小时前
蓝牙 ACL 与 SCO 链路联系与详细区别对比
网络·物联网·蓝牙·无线
北京耐用通信5 小时前
耐达讯自动化CC-Link IE转EtherCAT网关：让工业自动化更简单
人工智能·科技·物联网·自动化·信息与通信
AI+程序员在路上5 小时前
Linux C 条件变量阻塞线程用法：等待时CPU占用率为0
linux·运维·c语言
北京耐用通信5 小时前
架桥记：耐达讯自动化CC-Link IE转EtherCAT的工业协议融合实战
人工智能·科技·物联网·网络协议·自动化
热门推荐
01GitHub 镜像站点02Qwen3.5-Omni与Qwen3.6模型全面解析（含测评/案例/使用教程）032026年3月AI领域大事件：DeepSeek引领开源风暴04Claude Code + GLM4.7 避坑指南：解决 Unable to connect to Anthropic services05黄金未来走势预测06Mac 本地部署 OMLX + 通义千问 Qwen3.5-27B 保姆级教程07UV安装并设置国内源08AI 编程效率翻倍：Superpowers Skills 上手清单 + 完整指南09让 Trae IDE 智能体 “读懂”文档 Excel+PDF+DOCX ：mcp-documents-reader 工具使用指南10“wsl --install -d Ubuntu-22.04”下载慢，中国地区离线安装 Ubuntu 22.04 WSL方法（亲测2025年5月6日）