多进程协同的实时数据采集与共享系统

本文旨在深入探讨 HarmonyOS IPC Kit 中的进程间通信（IPC）机制，基于实际开发实践实现多进程数据采集与共享系统的设计与开发。本文主要面向开发者，分享数据采集系统架构设计和代码实现，并通过案例讲解如何在 HarmonyOS 中高效处理多进程数据通信。

1. 案例背景与需求分析

在物联网和大数据时代，实时数据采集成为许多应用的核心功能，例如智能家居的多传感器采集、工业设备状态监控等场景。在这些系统中，采集进程通常运行在不同进程空间内，采集的传感器数据需要被整合到一个进程中实时处理，因此需要一种高效的数据共享和通信机制。

目标需求：

• 多进程数据采集：不同采集进程收集来自多个传感器的数据。
• 实时数据共享：数据采集进程将采集数据传递给数据整合进程进行实时更新。
• 高效的数据传输：在进程间传输较大的数据量时不影响系统性能。
• 资源管理：能够在采集进程意外终止时，清理资源并触发数据恢复操作。

涉及技术：

• IPC Kit：通过Client-Server模式实现多进程数据通信。
• 共享内存：在多个进程间传输较大数据量时，使用共享内存避免数据复制开销。
• 异步调用与多线程管理：异步调用使进程不会因数据传输而阻塞。
• 进程消亡通知：远端消亡通知机制用于监控进程状态，确保资源安全回收。

2. 系统架构设计

在本系统中，采集数据的进程（采集进程）作为 IPC 客户端，而负责数据整合的进程（整合进程）作为 IPC 服务端。通过共享内存和 IPC Kit，数据可以在进程间快速传输。架构分为以下模块：

1. 采集进程模块：每个采集进程配置独立的IPC通信接口，将采集到的数据传递至整合进程。
2. 整合进程模块：整合所有采集进程的数据，通过共享内存进行数据管理与实时处理。
3. 远端对象消亡通知：通过 registerDeathRecipient 监控进程状态，处理异常退出的采集进程。

3. 数据采集进程的多线程异步通信

数据采集进程负责从传感器收集数据，并通过异步方式将数据传输给整合进程。每个采集进程作为IPC客户端，需要实现如下通信流程：

1. 配置 IPC 客户端接口：通过 IPC Kit 创建进程代理（Proxy），发送数据至整合进程。
2. 异步调用避免阻塞：每个采集进程独立运行数据采集和传输的异步线程，以提高效率。
3. 数据封装与发送：将数据封装到 IPCParcel 中，异步发送至整合进程。

示例代码

以下为采集进程中的异步数据发送代码示例，采集的数据通过 SendRequest 异步发送到整合进程。

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

class DataCollector {
public:
    DataCollector(OHIPCRemoteProxy* proxy) : proxy_(proxy) {}

    void CollectAndSendData(int sensorData) {
        std::thread([this, sensorData]() {
            OHIPCParcel *data = OH_IPCParcel_Create();
            if (data != nullptr) {
                OH_IPCParcel_WriteInt32(data, sensorData);  // 写入传感器数据
                SendDataAsync(data);
                OH_IPCParcel_Destroy(data);
            }
        }).detach();
    }

private:
    void SendDataAsync(OHIPCParcel* data) {
        OH_IPC_MessageOption option = { OH_IPC_REQUEST_MODE_ASYNC, 0 };
        OHIPCParcel *reply = OH_IPCParcel_Create();
        int result = OH_IPCRemoteProxy_SendRequest(proxy_, 1, data, reply, &option);
        
        if (result == OH_IPC_SUCCESS) {
            printf("Data sent successfully!\n");
        } else {
            printf("Failed to send data!\n");
        }
        
        OH_IPCParcel_Destroy(reply);
    }

    OHIPCRemoteProxy* proxy_;
};

4. 数据整合进程的数据管理与同步

整合进程作为服务端，需要接收来自多个采集进程的数据，并进行统一的存储和管理。为提高数据处理效率，整合进程使用共享内存（匿名共享内存）来存储并同步各采集进程传来的数据。同时，为了监控采集进程的状态，整合进程实现了远端对象消亡通知。

数据整合流程

1. 接收采集进程数据：整合进程通过 IPC Kit 接收采集进程的数据请求。
2. 共享内存存储与数据同步：使用共享内存实现数据共享，减少内存复制开销。
3. 注册消亡通知回调：设置 registerDeathRecipient，在采集进程意外退出时，清理相应资源并记录日志。

示例代码

以下代码展示整合进程如何接收数据并存储至共享内存，同时监控采集进程的消亡状态：

#include <IPCKit/ipc_kit.h>
#include <AbilityKit/native_child_process.h>
#include <hilog/log.h>
#include <unordered_map>
#include <mutex>

class DataAggregator {
public:
    DataAggregator() {
        remoteStub_ = OH_IPCRemoteStub_Create("DATA_AGGREGATOR", OnRequestReceived, nullptr, this);
        OH_IPCRemoteStub_AddDeathRecipient(remoteStub_, &deathRecipient_);
    }

    static int OnRequestReceived(uint32_t code, const OHIPCParcel* data, OHIPCParcel* reply, void* userData) {
        int sensorData = 0;
        if (OH_IPCParcel_ReadInt32(data, &sensorData) == OH_IPC_SUCCESS) {
            auto* aggregator = static_cast<DataAggregator*>(userData);
            aggregator->StoreData(sensorData);
        }
        return OH_IPC_SUCCESS;
    }

    void StoreData(int data) {
        std::lock_guard<std::mutex> lock(dataMutex_);
        // 假设 sharedDataBuffer_ 是共享内存映射的地址
        sharedDataBuffer_.emplace_back(data);  
    }

    void RegisterDeathRecipient() {
        deathRecipient_.onRemoteDied = [](void* userData) {
            auto* aggregator = static_cast<DataAggregator*>(userData);
            aggregator->HandleProcessDeath();
        };
        OH_IPCRemoteStub_RegisterDeathRecipient(remoteStub_, &deathRecipient_);
    }

    void HandleProcessDeath() {
        // 处理采集进程消亡的资源清理操作
        printf("采集进程消亡，清理资源！\n");
    }

private:
    OHIPCRemoteStub* remoteStub_;
    std::vector<int> sharedDataBuffer_;
    std::mutex dataMutex_;
    OHIPCDeathRecipient deathRecipient_;
};

5. 进程消亡通知机制的实现

在数据采集系统中，进程消亡会导致数据更新的中断，因此整合进程需要及时感知采集进程的状态。当采集进程意外终止时，消亡通知机制将触发资源清理和报警操作，确保系统的稳定性。

通过在 DataAggregator 中注册 DeathRecipient 对象来实现对采集进程的监控。当检测到远端采集进程消亡，整合进程即可执行相应的清理逻辑并更新系统状态。

6. 总结

本文展示了如何基于HarmonyOS的IPC Kit开发多进程实时数据采集与共享系统，应用了IPC Kit中的Client-Server通信机制、共享内存与消亡通知机制。该系统能够高效采集和整合传感器数据，并及时管理进程消亡状态，确保数据采集系统的稳定性。

通过该案例，我们可以掌握进程间通信的异步调用、共享内存传输大数据及远端对象消亡通知的实现方式，为多进程实时数据共享系统的开发提供实用参考。