面试题：C语言命名管道与复杂系统架构结合

Question

在一个大型Linux系统架构中，多个不同功能模块需要通过命名管道进行C语言跨进程通信。这些模块有的运行在不同的用户空间，有的对实时性要求极高。请设计一个全面的通信方案，涵盖命名管道的创建策略、数据传输格式、同步机制以及如何满足不同模块的性能需求，并用UML图（可简单描述结构）辅助说明，最后给出关键的C语言代码框架。

Answer 1

1. 命名管道的创建策略

• 全局统一规划：在系统初始化阶段，由一个专门的初始化模块负责创建所有需要的命名管道。这样可以避免不同模块重复创建同名管道导致的冲突。
• 基于功能模块分类：按照功能模块的类型（如实时性模块、非实时性模块等），在文件系统中为不同类型的模块创建独立的目录存放对应的命名管道。例如，对于实时性模块的命名管道存放在 /var/run/rt_pipes/ 目录下，非实时性模块的命名管道存放在 /var/run/non_rt_pipes/ 目录下。

2. 数据传输格式

• 采用结构体封装：定义一个通用的结构体来封装传输的数据。结构体中包含一个标识数据类型的字段，以及一个通用的数据缓冲区。例如：

typedef struct {
    int data_type; // 数据类型标识，如 1 - 实时数据，2 - 配置数据等
    char buffer[1024]; // 数据缓冲区，根据实际需求调整大小
} PipeData;

• 数据序列化与反序列化：对于复杂的数据结构，需要实现序列化和反序列化函数，将结构体数据转换为字节流进行传输，在接收端再转换回结构体。

3. 同步机制

• 实时性模块：
  • 使用信号量：实时性模块在读写命名管道时，使用信号量来控制对管道的访问。例如，在写操作前获取信号量，写完后释放信号量，以确保实时数据的及时传输，避免竞争条件。
  • 非阻塞 I/O：采用非阻塞 I/O 方式读写命名管道，这样实时性模块不会因为等待管道有数据可读或可写而阻塞，从而保证系统的实时响应性。
• 非实时性模块：
  • 互斥锁：非实时性模块可以使用互斥锁来保护对命名管道的访问。在读写操作前加锁，操作完成后解锁。
  • 阻塞 I/O：可以使用阻塞 I/O 方式，因为非实时性模块对时间要求不高，阻塞不会对系统性能产生严重影响。

4. 满足不同模块的性能需求

• 实时性模块：
  • 优先级调度：将实时性模块的进程设置为高优先级，确保在系统资源竞争时能够优先获取 CPU 等资源。
  • 减少内存拷贝：在数据传输过程中，尽量减少数据的内存拷贝次数。例如，可以使用零拷贝技术，直接将数据从内核空间映射到用户空间。
• 非实时性模块：
  • 批量处理：对于非实时性模块，可以采用批量处理数据的方式，减少对命名管道的读写次数，提高整体性能。

5. UML 图简单描述结构

@startuml
package "Linux 系统架构" {
    component "初始化模块" as init {
        creates "命名管道" as pipes
    }
    component "实时性模块 1" as rt1 {
        uses pipes : 读写
    }
    component "实时性模块 2" as rt2 {
        uses pipes : 读写
    }
    component "非实时性模块 1" as nrt1 {
        uses pipes : 读写
    }
    component "非实时性模块 2" as nrt2 {
        uses pipes : 读写
    }
}
@enduml

上述 UML 图展示了初始化模块创建命名管道，实时性模块和非实时性模块通过命名管道进行通信的结构。

6. 关键的 C 语言代码框架

• 命名管道创建代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define RT_PIPE_PATH "/var/run/rt_pipes/rt_pipe"
#define NON_RT_PIPE_PATH "/var/run/non_rt_pipes/non_rt_pipe"

void create_pipes() {
    mkfifo(RT_PIPE_PATH, 0666);
    mkfifo(NON_RT_PIPE_PATH, 0666);
}

• 实时性模块写数据代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>

#define RT_PIPE_PATH "/var/run/rt_pipes/rt_pipe"

typedef struct {
    int data_type;
    char buffer[1024];
} PipeData;

int main() {
    int fd;
    PipeData data;
    sem_t *sem = sem_open("/rt_sem", 0);

    fd = open(RT_PIPE_PATH, O_WRONLY | O_NONBLOCK);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(1);
    }

    data.data_type = 1;
    snprintf(data.buffer, sizeof(data.buffer), "实时数据");

    sem_wait(sem);
    write(fd, &data, sizeof(data));
    sem_post(sem);

    close(fd);
    sem_close(sem);
    return 0;
}

• 实时性模块读数据代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <semaphore.h>

#define RT_PIPE_PATH "/var/run/rt_pipes/rt_pipe"

typedef struct {
    int data_type;
    char buffer[1024];
} PipeData;

int main() {
    int fd;
    PipeData data;
    sem_t *sem = sem_open("/rt_sem", 0);

    fd = open(RT_PIPE_PATH, O_RDONLY | O_NONBLOCK);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(1);
    }

    sem_wait(sem);
    read(fd, &data, sizeof(data));
    sem_post(sem);

    printf("实时数据类型: %d, 数据: %s\n", data.data_type, data.buffer);

    close(fd);
    sem_close(sem);
    return 0;
}

• 非实时性模块写数据代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

#define NON_RT_PIPE_PATH "/var/run/non_rt_pipes/non_rt_pipe"

typedef struct {
    int data_type;
    char buffer[1024];
} PipeData;

pthread_mutex_t mutex;

int main() {
    int fd;
    PipeData data;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    fd = open(NON_RT_PIPE_PATH, O_WRONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(1);
    }

    data.data_type = 2;
    snprintf(data.buffer, sizeof(data.buffer), "非实时数据");

    pthread_mutex_lock(&mutex);
    write(fd, &data, sizeof(data));
    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    close(fd);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

• 非实时性模块读数据代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

#define NON_RT_PIPE_PATH "/var/run/non_rt_pipes/non_rt_pipe"

typedef struct {
    int data_type;
    char buffer[1024];
} PipeData;

pthread_mutex_t mutex;

int main() {
    int fd;
    PipeData data;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);

    fd = open(NON_RT_PIPE_PATH, O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open");
        exit(1);
    }

    pthread_mutex_lock(&mutex);
    read(fd, &data, sizeof(data));
    pthread_mutex_unlock(&mutex);

    printf("非实时数据类型: %d, 数据: %s\n", data.data_type, data.buffer);

    close(fd);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}