Iceoryx2：高性能进程间通信框架(中间件)

Iceoryx2：高性能进程间通信框架(中间件)

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/stallion5632/article/details/143448592

Iceoryx2是一个基于Rust实现的高性能进程间通信框架，专为低延迟和零拷贝通信设计。相比其前身Iceoryx，Iceoryx2在内存安全、并发处理、模块化设计以及多平台支持上进行了优化。本文将详细介绍Iceoryx2的主要改进、架构设计、使用示例以及与Iceoryx的比较。

0. 引言

Iceoryx2是一个基于Rust实现的开源中间件，专为实现低延迟和零拷贝进程间通信而设计。相比其前身Iceoryx，Iceoryx2在内存安全、并发处理、模块化设计以及多平台支持上进行了优化。

提前阅读:

• C++高性能通信：图形简述高性能中间件Iceoryx
• C++高性能通信：了解Iceoryx与零拷贝技术的实现与应用
• 详解高性能中间件Iceoryx在ROS2中的使用

1. 主要改进

1. 零拷贝通信：Iceoryx2保留了零拷贝通信的特性，通过直接在进程间传递数据引用，极大减少了数据复制，从而提升了性能并降低了延迟。
2. Rust语言的引入：采用Rust语言后，Iceoryx2提升了内存安全和并发安全性。Rust的所有权和借用机制有效防止了数据竞争和其他常见的并发错误。
3. 模块化和扩展性：模块化设计允许单独替换或升级内部组件。
4. 跨平台支持：除了在Linux和Windows上的原生支持，Iceoryx2还计划扩展到Android、QNX等多个平台。
5. 支持多种编程语言：Iceoryx2不仅提供C和C++的API绑定，还支持Python和其他编程语言。

2. Iceoryx2的架构

以下是Iceoryx2的架构图，展示了主要应用模块、通信网关及支持的开发语言：

3. C++示例代码

以下是Iceoryx2的发布者和订阅者的示例代码：

3.1 发布者示例（publisher.cpp）

#include "iox/duration.hpp"
#include "iox/slice.hpp"
#include "iox2/node.hpp"
#include "iox2/sample_mut.hpp"
#include "iox2/service_name.hpp"
#include "iox2/service_type.hpp"
#include <cstdint>
#include <iostream>
#include <utility>

constexpr iox::units::Duration CYCLE_TIME = iox::units::Duration::fromSeconds(1);

auto main() -> int {
    using namespace iox2;
    auto node = NodeBuilder().create<ServiceType::Ipc>().expect("successful node creation");
    auto service = node.service_builder(ServiceName::create("Service With Dynamic Data").expect("valid service name"))
                       .publish_subscribe<iox::Slice<uint8_t>>()
                       .open_or_create()
                       .expect("successful service creation/opening");
    uint64_t worst_case_memory_size = 1024; // NOLINT
    auto publisher = service.publisher_builder()
                         .max_slice_len(worst_case_memory_size)
                         .create()
                         .expect("successful publisher creation");
    auto counter = 1;
    while (node.wait(CYCLE_TIME).has_value()) {
        counter += 1;
        auto required_memory_size = (8 + counter) % 16; // NOLINT
        auto sample = publisher.loan_slice_uninit(required_memory_size).expect("acquire sample");
        sample.write_from_fn([&](auto byte_idx) { return (byte_idx + counter) % 255; }); // NOLINT
        auto initialized_sample = assume_init(std::move(sample));
        send(std::move(initialized_sample)).expect("send successful");
        std::cout << "Send sample " << counter << "..." << std::endl;
    }
    std::cout << "exit" << std::endl;
    return 0;
}

3.2 订阅者示例（subscriber.cpp）

#include "iox/duration.hpp"
#include "iox/slice.hpp"
#include "iox2/node.hpp"
#include "iox2/service_name.hpp"
#include "iox2/service_type.hpp"
#include <cstdint>
#include <iostream>

constexpr iox::units::Duration CYCLE_TIME = iox::units::Duration::fromSeconds(1);

auto main() -> int {
    using namespace iox2;
    auto node = NodeBuilder().create<ServiceType::Ipc>().expect("successful node creation");
    auto service = node.service_builder(ServiceName::create("Service With Dynamic Data").expect("valid service name"))
                       .publish_subscribe<iox::Slice<uint8_t>>()
                       .open_or_create()
                       .expect("successful service creation/opening");
    auto subscriber = service.subscriber_builder().create().expect("successful subscriber creation");
    while (node.wait(CYCLE_TIME).has_value()) {
        auto sample = subscriber.receive().expect("receive succeeds");
        while (sample.has_value()) {
            std::cout << "received " << sample->payload().size() << " bytes: ";
            for (auto byte : sample->payload()) {
                std::cout << std::hex << byte << " ";
            }
            std::cout << std::endl;
            sample = subscriber.receive().expect("receive succeeds");
        }
    }
    std::cout << "exit" << std::endl;
    return 0;
}

4. 机制比较

5. 架构比较

6. Iceoryx vs Iceoryx2

7. 为何Rust版本的Iceoryx2去除了RouDi？

7.1 C++版本Iceoryx为何引入RouDi

C++版本Iceoryx中的RouDi主要解决的是：

• 注册：发布者和订阅者启动时向RouDi注册，声明自己发布或订阅的主题。
• 连接：RouDi根据注册信息建立发布者和订阅者之间的连接，并配置共享内存区域。
• 通信：发布者将数据写入共享内存，通过消息队列通知RouDi；订阅者接收RouDi的通知，从共享内存读取数据。

在早期版本的Iceoryx中，为了实现高效的内存管理和通信机制，使用了一些全局变量。这些全局变量主要用于以下几个方面：

• 内存池管理：记录内存池的状态和配置信息。
• 节点注册和发现：记录已注册的节点信息。
• 通信上下文：存储通信上下文数据。
• 系统状态和配置：记录系统的全局状态和配置信息。
• 错误处理和日志记录：存储错误码和日志记录器。

7.2 Rust为何可以改进全局变量带来的缺陷？

Rust的全局变量和C++的全局变量在实现方式和模块间的依赖处理上有一些显著区别，特别是在模块耦合、依赖管理和重编译的影响方面。

+ 所有权系统与不可变性

Rust的所有权系统和不可变性要求使其在设计全局变量时更具有可控性。具体来说：

• 不可变性：Rust中的全局变量一般默认不可变（const或不可变的静态全局变量），使用时无需锁定或同步，从而避免了一些并发问题。如果必须是可变的全局状态，Rust强制使用线程安全的封装，如Mutex或RwLock。
• 所有权转移：Rust的所有权系统严格控制引用的生命周期和作用域。一个模块只能在符合所有权规则的条件下修改全局变量，避免了直接共享和修改内存的高耦合方式，降低了模块间的直接依赖关系。

+ 模块隔离与访问控制

Rust的模块系统和访问控制机制进一步隔离了全局状态的使用。通过模块内的pub关键字，可以严格限制哪些变量或函数可以被外部访问，这样不同模块之间不会因为全局变量产生直接的依赖关系。

例如：

mod config {
    pub struct SystemConfig {
        // 配置数据
    }
    pub fn get_system_config() -> &'static SystemConfig {
        // 返回系统配置的引用
    }
}
// 外部模块只能通过 get_system_config 函数访问 SystemConfig

这样设计后，即使SystemConfig改动了，也只需要重新编译config模块，而不是依赖它的所有模块。Rust的模块控制通过严格的访问权限设置，可以减少耦合，确保一个模块的全局变量更容易维护。

+ 惰性初始化与依赖隔离

Rust支持lazy_static宏来实现惰性初始化。这意味着全局变量只在首次使用时初始化，而不是在编译时或程序启动时完成初始化，从而避免了一些资源的过早占用。

• 惰性初始化：Rust中使用lazy_static实现全局变量时，初始化代码可以独立封装在模块内部，不依赖其他模块，因此模块之间不会因为全局变量的初始化顺序产生耦合。

+ 编译和重编译的影响

Rust中，所有的全局状态通常都会被封装在一个模块内部，并通过API暴露给其他模块，这样即使内部实现发生改变，只要对外的API不变，其他模块也不会受到影响。

• 封装隔离：Rust中，模块间的依赖是通过接口的，而不是直接访问全局变量。只要接口没有改变，模块的实现变化不会影响依赖它的模块，进而避免了过度重编译。

+ 线程安全与并发机制

Rust的全局变量要求使用Mutex或RwLock等线程安全的机制，这些锁通过所有权和借用检查，确保即使多模块同时访问全局变量，也不会引发未定义行为。而C++通常需要手动添加线程安全机制，并且由于直接访问内存，耦合性较强，线程安全性需要开发者自行维护。

Rust通过所有权系统、模块访问控制和惰性初始化等机制，有效管理全局变量的依赖关系，减少模块间的耦合性。在设计上，全局变量通常封装在模块内部，提供接口访问。这样设计更灵活，即使变量实现改动，也不会强制其他模块重新编译。相比之下，C++的全局变量在头文件中暴露且直接访问，模块间的耦合性更强，任何全局变量的改动都可能影响所有依赖该变量的模块，导致过度重编译和更高的耦合性。因此，Rust的设计原则可以减少模块间的编译依赖、提升并发的安全性，整体上避免了C++全局变量常见的问题。

8. 参考资料

• Welcome to iceoryx2’s C / C++ documentation!
• eclipse-iceoryx/iceoryx
• eclipse-iceoryx/iceoryx2