高併發IPC通訊實現：HarmonyOS中的非同步呼叫與多執行緒處理

SameX發表於2024-11-01
非同步執行緒

本文旨在深入探討華為鴻蒙HarmonyOS Next系統（截止目前API12）的技術細節，基於實際開發實踐進行總結。主要作為技術分享與交流載體，難免錯漏，歡迎各位同仁提出寶貴意見和問題，以便共同進步。本文為原創內容，任何形式的轉載必須註明出處及原作者。

在當今的移動應用開發領域，高併發通訊場景越來越常見。想象一下，在一個大型的社交應用中，成千上萬的使用者同時線上，他們可能在不停地傳送訊息、獲取動態、上傳圖片等，這就對程序間通訊（IPC）提出了很高的要求。如果通訊處理不當，就會像交通堵塞一樣，導致應用卡頓甚至崩潰。今天我們就來看看在HarmonyOS中，IPC Kit是如何透過非同步呼叫與多執行緒處理來應對高併發通訊挑戰的。

高併發通訊的需求分析與設計架構

在多執行緒環境下進行非同步通訊，解決通訊阻塞和效能瓶頸

在高併發場景下，傳統的同步通訊方式就像單行道上的汽車，一輛一輛依次透過，效率非常低下。比如，一個執行緒在等待IPC通訊的響應時，它就會一直處於阻塞狀態，其他任務無法執行，這就嚴重影響了系統的整體效能。而非同步通訊就像是多車道高速公路，多個請求可以同時進行，互不干擾。

為了實現非同步通訊，IPC Kit提供了強大的功能支援。我們可以利用非同步呼叫模式，讓發起通訊的執行緒不必等待結果返回，繼續執行其他任務。同時，結合多執行緒處理，將不同的通訊任務分配到不同的執行緒中，充分利用多核處理器的優勢，提高系統的併發處理能力。

例如，在一個線上直播應用中，主播端的影片流需要實時傳輸到多個觀眾端。如果使用同步通訊，主播端每傳送一幀影片都要等待觀眾端的確認，這顯然會導致嚴重的延遲。而採用非同步通訊和多執行緒處理，主播端可以在一個執行緒中持續傳送影片流，同時其他執行緒負責處理觀眾端的反饋資訊，如點贊、評論等，這樣就能保證影片的流暢播放，提升使用者體驗。

非同步呼叫模式與執行緒管理

使用AsyncAdd函式及執行緒處理非同步通訊，提升通訊效率

IPC Kit中的AsyncAdd函式是實現非同步通訊的一個重要工具。它允許我們在一個執行緒中發起通訊請求，然後在另一個執行緒中處理響應結果。

下面是一個簡單的示例程式碼，展示瞭如何使用AsyncAdd函式實現非同步通訊（以C語言為例）：

#include <IPCKit/ipc_kit.h>
#include <thread>

// 定義非同步通訊完成後的回撥函式型別
typedef void (*AsyncCallback)(int result);

// 非同步新增任務函式
void AsyncAdd(int a, int b, AsyncCallback callback) {
    // 建立一個執行緒來執行非同步任務
    std::thread t([a, b, callback]() {
        // 模擬耗時的IPC通訊操作，這裡只是簡單的加法運算
        int result = a + b;
        // 模擬通訊延遲，這裡可以替換為實際的IPC通訊等待時間
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
        // 呼叫回撥函式返回結果
        callback(result);
    });
    // 分離執行緒，使其獨立執行
    t.detach();
}

// 回撥函式實現
void OnAsyncResult(int result) {
    OH_LOG_INFO(LOG_APP, "Async result: %d", result);
}

int main() {
    // 發起非同步通訊請求
    AsyncAdd(3, 5, OnAsyncResult);

    // 主執行緒可以繼續執行其他任務，這裡只是簡單的列印
    OH_LOG_INFO(LOG_APP, "Main thread is still running...");

    // 為了保持程式執行一段時間，以便觀察非同步任務的執行
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(5));

    return 0;
}

在上述程式碼中，AsyncAdd函式建立了一個新的執行緒來執行非同步任務（這裡是簡單的加法運算模擬IPC通訊），並在任務完成後透過回撥函式OnAsyncResult返回結果。主執行緒在發起非同步請求後，不會被阻塞，可以繼續執行其他操作。

資料同步與共享記憶體的使用

使用匿名共享記憶體實現大資料傳輸，防止資源競爭

在高併發通訊中，當需要傳輸大資料時，普通的IPC通訊方式可能會遇到效能瓶頸。這時候，匿名共享記憶體就派上用場了。匿名共享記憶體就像是一個公共的倉庫，多個程序可以同時訪問這個倉庫，將資料儲存在其中，實現高效的資料共享。

以下是一個簡單的匿名共享記憶體讀寫例項程式碼（以C語言為例）：

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

// 定義共享記憶體塊大小
#define SHARED_MEM_SIZE 4096

int main() {
    // 建立匿名共享記憶體
    int fd = shmget(IPC_PRIVATE, SHARED_MEM_SIZE, IPC_CREAT | 0666);
    if (fd == -1) {
        perror("shmget");
        return -1;
    }

    // 將共享記憶體對映到程序地址空間
    void *shared_mem = mmap(NULL, SHARED_MEM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, 0);
    if (shared_mem == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        return -1;
    }

    // 建立子程序
    pid_t pid = fork();
    if (pid == -1) {
        perror("fork");
        return -1;
    } else if (pid == 0) {
        // 子程序寫入資料到共享記憶體
        char *data = "Hello, shared memory!";
        memcpy(shared_mem, data, strlen(data) + 1);
        // 通知父程序資料已寫入
        kill(getppid(), SIGUSR1);
    } else {
        // 父程序等待子程序寫入資料
        sigset_t set;
        sigemptyset(&set);
        sigaddset(&set, SIGUSR1);
        sigwait(&set, NULL);
        // 從共享記憶體讀取資料
        char *read_data = (char *)shared_mem;
        printf("Read from shared memory: %s\n", read_data);
        // 解除共享記憶體對映
        if (munmap(shared_mem, SHARED_MEM_SIZE) == -1) {
            perror("munmap");
            return -1;
        }
        // 標記共享記憶體段被銷燬
        if (shmctl(fd, IPC_RMID, NULL) == -1) {
            perror("shmctl");
            return -1;
        }
    }

    return 0;
}

在這個示例中，父程序和子程序透過匿名共享記憶體進行資料互動。子程序將資料寫入共享記憶體，然後通知父程序讀取。這種方式避免了透過IPC通訊頻繁傳遞大資料帶來的效能損耗，同時透過訊號量（這裡使用SIGUSR1訊號）實現了簡單的資料同步，防止資源競爭。

透過以上對非同步呼叫與多執行緒處理、匿名共享記憶體的介紹和程式碼示例，我們可以看到IPC Kit在高併發場景下的強大能力。在實際開發中，我們可以根據具體的業務需求，靈活運用這些技術，構建高效、穩定的應用程式。希望大家在探索HarmonyOS開發的道路上不斷進步，就像攀登高峰一樣，一步一個腳印，最終達到技術的巔峰！哈哈，下次我們再一起學習更多有趣的技術知識哦！😎

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