前言
在构建复杂应用或服务时，经常会遇到进程间通信的问题。DBus 提供了一个高效、可靠的解决方案，使得不同程序之间可以轻松地进行消息交换和远程调用。本篇文章将带你详细了解 DBus 的工作机制及如何在你的项目中有效利用这一技术。
什么是 D-Bus？
D-Bus 是 Linux 及其他类 Unix 系统下的一种进程间通信机制（IPC）。那什么是进程间通信机制（IPC）呢？IPC（Inter-process communication）是操作系统提供给进程用于管理共享数据的一套机制，简单来说，如果进程 A 和进程 B 要进行通信（发送数据），就要通过 IPC，如下图所示：
除了 D-Bus，Linux 常见的进程间通信（IPC）还有如下几种：
- 共享内存（Shared Memory）：多个进程直接访问同一块内存区域，适用于需要高速数据交换的场景。
- 管道（Pipes）：
- 无名管道：父子进程之间的通信。
- 命名管道：不相关的进程通过一个具有名称的特殊文件进行通信。
- 套接字（Sockets）：支持不同机器间或同一机器内进程间的通信，常见于网络编程。
- 信号（Signals）：向进程发送异步通知，常用于中断、控制进程或通知事件发生。
- 文件系统（File-based Communication）：通过普通的文件读写操作，多个进程共享文件来交换数据。
既然有这么多 IPC，那为什么还需要 D-Bus 呢？这里就要说到 D-Bus 的出生背景，D-Bus 最初由 GNOME（桌面环境） 开发者 Havoc Pennington 发起，GNOME 和 KDE 作为两个主流的桌面环境，各自都有自己独立的进程间通信方案（如 GNOME 使用 Bonobo，KDE 使用 DCOP）。这两者的兼容性问题显著影响了 Linux 桌面应用程序的整合和一致性。因此，D-Bus 的设计目标之一就是消除这些碎片化的通信机制，提供一个通用的 IPC 解决方案。
D-Bus 最初用于桌面环境，后来使用范围逐渐扩展，包含的系统服务越来越多。例如 NetworkManager 网络守护进程、BlueZ 蓝牙堆栈都使用 D-Bus 来提供其部分或全部的服务，systemd 也正促使传统的系统守护进程（如 logind）转换到 D-Bus 服务。所以 D-Bus 还有一个非常大的用途是用来进行硬件控制（比如通过 NetworkManager 服务来操作 wifi 或通过 BlueZ 服务来操作蓝牙）。
D-Bus 总线
D-Bus 提供了一种软件总线抽象，它将一组进程间的所有通信集中在一个共享的虚拟通道上。连接到总线的进程并不知道其内部实现细节，但 D-Bus 规范保证了所有连接到总线的进程都能通过它相互通信。
D-Bus 提供了两种总线：
- 系统总线（system bus）：系统总线是整个系统范围的，所有用户和系统服务都可以访问它。系统总线通常用于系统级别的进程和服务之间的通信，比如与硬件、系统守护进程（如
systemd、NetworkManager）等的交互。普通用户想要访问系统总线，则需要以 root 用户身份修改 D-Bus 的配置文件让其生效。 - 会话总线（session bus）：会话总线是为每个用户会话创建的，它仅对当前登录的用户的进程可见，其他用户的进程无法访问同一个会话总线。每个用户在他们的会话中都有一个独立的会话总线。
D-Bus 的配置文件位于 /usr/share/dbus-1 目录中。系统总线和会话总线的配置文件 system.conf 和 session.conf 分别在 /etc/dbus-1 目录下。
D-Bus 通信模型
D-Bus 采用了 客户端-服务器（CS）模型的通信方式，但它中间多了一层消息总线，消息总线起到中央枢纽的角色，类似 MQTT 的 broker。进程既可以提供服务也可以作为客户端请求服务。
要让某个进程提供一个服务或作为客户端请求一个服务，需要提供如下参数：
- 服务名称（Service Name）：注册在 D-Bus 总线上服务的唯一名称
- 对象路径（Object Path）：类似文件系统中的路径，每个 D-Bus 服务可以注册一个或多个对象，路径用来指定具体的对象，例如
/org/freedesktop/DBus或/com/example/MyService/MyObject。 - 接口（Interface）：定义了对象可以响应的具体方法（方法集）。接口名称通常也是域名反转形式，例如
org.freedesktop.DBus或com.example.MyService.Interface。每个对象可以实现多个接口，通过接口来定义具体能调用的方法。 - 通信模式：接口提供了 3 种通信模式，分别是：
- 方法调用（Method Call）：方法类似于编程语言的函数，可以传入不同参数实现不同的效果或返回不同的接口。
- 属性（Property）：属性相当于编程语言的变量，可以读取或设置变量。
- 信号（Signal）：类似于回调函数，当某个事件触发（比如通知事件）时，向 D-Bus 总线广播信号，通知其他进程某些事件的发生。
D-Bus 消息类型
D-Bus 支持 4 种类型的消息，消息类型决定了消息的路由方式、目标以及如何处理：
- 方法调用（Method Call）：调用方法（Method）和获取、设置属性（Property）都属于此类消息，发送者会等待目标对象返回结果或错误消息。
- 方法返回（Method Return）：当发送者调用方法后，会等待方法调用的响应，它属于此类消息，此类型消息包含了执行结果，返回一个或多个结果值。
- 错误消息（Error Message）：方法调用发生错误时会返回此消息，包含错误的原因。
- 信号消息（Signal Message）：信号消息用于广播信息，即某些事件的发生，通常用于通知其他进程系统状态的变化或某个操作的结果。信号是 无请求 的，即不需要响应。
D-Bus 命令调试
在编写程序来使用 D-Bus 之前，一般会先使用命令来测试我们想要的结果。D-Bus 提供了如下的命令以供我们通过命令来进行调试：
busctl：一个用于与 D-Bus 总线进行交互的命令行工具，提供了更多管理和控制 D-Bus 总线的功能。dbus-send：一个较旧的 D-Bus 工具，用于向 D-Bus 总线发送消息。dbus-monitor：一个用于监视 D-Bus 消息流的命令行工具。它可以捕捉并显示通过 D-Bus 总线发送的消息和信号。d-feet：一个易于使用的 D-Bus GUI 调试器。
比如我想查看 org.freedesktop.NetworkManager 服务（一个网络管理工具）的 /org/freedesktop/NetworkManager 对象路径提供了哪些接口以及方法属性信号，可以使用如下命令：busctl introspect org.freedesktop.NetworkManager /org/freedesktop/NetworkManager。它会打印如下信息：
NAME TYPE SIGNATURE RESULT/VALUE FLAGS
org.freedesktop.DBus.Introspectable interface - - -
.Introspect method - s -
org.freedesktop.DBus.Peer interface - - -
.GetMachineId method - s -
.Ping method - - -
org.freedesktop.DBus.Properties interface - - -
.Get method ss v -
.GetAll method s a{sv} -
.Set method ssv - -
.PropertiesChanged signal sa{sv}as - -
org.freedesktop.NetworkManager interface - - -
.ActivateConnection method ooo o -
.AddAndActivateConnection method a{sa{sv}}oo oo -
.AddAndActivateConnection2 method a{sa{sv}}ooa{sv} ooa{sv} -
.CheckConnectivity method - u -
.CheckpointAdjustRollbackTimeout method ou - -
.CheckpointCreate method aouu o -
.CheckpointDestroy method o - -
.CheckpointRollback method o a{su} -
.DeactivateConnection method o - -
.Enable method b - -
.GetAllDevices method - ao -
.GetDeviceByIpIface method s o -
.GetDevices method - ao -
.GetLogging method - ss -
.GetPermissions method - a{ss} -
.Reload method u - -
.SetLogging method ss - -
.Sleep method b - -
.state method - u -
.ActivatingConnection property o "/" emits-change
.ActiveConnections property ao 0 emits-change
......
具体的用法可以通过 命令 --help 查看。
D-Bus 数据类型
在D-Bus 中，也有类似编程语言中变量类型的概念，比如字符串类型、布尔类型等等，当我们调用一个方法，需要传入指定的参数类型，如果传的类型不对，则会导致调用方法失败。
类型分别如下两种：
- 基础类型（Basic types）：类似于 C/C++、Python 等语言的基本数据类型。
- 容器类型（Container types）：允许组合或嵌套其他类型，形成复杂的结构。
基本类型有如下：
y(Byte): 无符号 8 位整数 (uint8_t)b(Boolean): 布尔类型，true或falsen(Int16): 有符号 16 位整数 (int16_t)q(UInt16): 无符号 16 位整数 (uint16_t)i(Int32): 有符号 32 位整数 (int32_t)u(UInt32): 无符号 32 位整数 (uint32_t)x(Int64): 有符号 64 位整数 (int64_t)t(UInt64): 无符号 64 位整数 (uint64_t)d(Double): 双精度浮点数 (double)s(String): UTF-8 编码的字符串o(Object Path): 表示 D-Bus 对象路径的字符串g(Signature): 表示 D-Bus 类型签名的字符串h(Unix File Descriptor): 文件描述符，用于传递文件句柄
容器类型有如下：
a(Array): 数组类型。数组中所有元素必须是相同的数据类型。表示为a<type>，例如ai表示int32_t的数组。v(Variant): 可变类型，类似于 C++ 的std::variant，可以存储任意 D-Bus 类型。()(Struct): 结构类型，表示为多个不同类型的组合。类似于 C/C++ 中的结构体。例如，(is)表示一个包含int32_t和string的结构体。{}(Dictionary/Dict Entry): 字典条目，表示键值对。通常表示为a{key_type value_type}，例如a{su}表示键为string，值为uint32_t的字典。
D-Bus 用户空间库
不同的编程语言都提供了相关的库供应用程序进行调用，一般常用的如下：
- libdbus：
libdbus是 D-Bus 最基础的用户空间库，它提供了与 D-Bus 总线进行通信的功能。libdbus是 C 语言编写的库，提供了低层次的接口来发送、接收消息以及管理 D-Bus 连接。它是 D-Bus 系统的核心库，许多 D-Bus 相关的工具和库都依赖它。 - GDBus (GLib-based)：
GDBus是 GLib 提供的一个 D-Bus 实现，它是通过libdbus进行封装，并提供了更加高层次、面向对象的接口，通常用于 GNOME 和其他基于 GLib 的应用程序。 - dbus-c++：
dbus-c++是一个 C++ 封装库，提供了封装的类和函数。它是一个较老的库，维护和更新的频率较低，不推荐使用。 - dbus-cxx：采用现代化 C++ 进行开发，提供了更强大的 D-Bus Api 实现，推荐使用。
- Qt D-Bus：
Qt D-Bus是 Qt 库的一个模块，提供了对 D-Bus 的支持。它使得开发者能够在 Qt 应用程序中通过 D-Bus 进行进程间通信。 - PyDBus (Python)：
PyDBus是一个 Python 库，提供了高层次的 Python 接口。 - D-Bus for Java：这是一个为 Java 语言提供的 D-Bus 客户端库。
C++ 版代码示例
下面以 dbus-cxx 库为例，给出相关的 D-Bus 代码示例。
作为服务：
#include <dbus-cxx.h>
#include <thread>
#include <chrono>
double add(double param1, double param2) {
return param1 + param2;
}
int main() {
std::shared_ptr<DBus::Dispatcher> dispatcher = DBus::StandaloneDispatcher::create();
// 创建一个连接对象 `conn`，表示一个到 D-Bus 总线的连接。此处连接到用户会话总线。
std::shared_ptr<DBus::Connection> conn = dispatcher->create_connection(DBus::BusType::SESSION);
// 请求在 D-Bus 上注册服务名称 "dbuscxx.quickstart_0.server"。
// `DBUSCXX_NAME_FLAG_REPLACE_EXISTING` 标志表示如果该名称已存在，则替换原服务。
if (conn->request_name("dbuscxx.quickstart_0.server", DBUSCXX_NAME_FLAG_REPLACE_EXISTING) != DBus::RequestNameResponse::PrimaryOwner)
return 1; // 如果无法获得该名称的所有权，程序退出。
// 创建一个对象，允许其他进程通过 D-Bus 调用该对象的方法。
// "/dbuscxx/quickstart_0" 是该对象在 D-Bus 上的路径。
// `DBus::ThreadForCalling::DispatcherThread` 表示该对象方法将在 D-Bus 分派线程中被调用。
std::shared_ptr<DBus::Object> object = conn->create_object("/dbuscxx/quickstart_0", DBus::ThreadForCalling::DispatcherThread);
// 创建一个方法 "add"，该方法可以通过 D-Bus 调用。
// `sigc::ptr_fun(add)` 将 C++ 函数 `add` 转换为可以在 D-Bus 中使用的函数对象。
// 该方法接收两个 `double` 类型的参数并返回一个 `double` 类型的值。
object->create_method<double(double, double)>("dbuscxx.Quickstart", "add", sigc::ptr_fun(add));
// 让程序运行 10 秒钟，保持 D-Bus 服务的活跃。
// 在这段时间内，其他进程可以调用该服务的 `add` 方法。
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(10));
return 0;
}
作为客户端：
#include <dbus-cxx.h>
#include <iostream>
int main()
{
std::shared_ptr<DBus::Dispatcher> dispatcher = DBus::StandaloneDispatcher::create();
std::shared_ptr<DBus::Connection> connection = dispatcher->create_connection( DBus::BusType::SESSION );
// 创建一个对象代理 `object`，它代表了 D-Bus 上的远程对象。
// 这里的代理对象代表了一个名为 "dbuscxx.quickstart_0.server" 的服务
// 和该服务上的对象路径 "/dbuscxx/quickstart_0"。
std::shared_ptr<DBus::ObjectProxy> object = connection->create_object_proxy("dbuscxx.quickstart_0.server", "/dbuscxx/quickstart_0");
// 创建方法代理 `add_proxy`，该代理方法将通过 D-Bus 调用远程服务的方法。
// 这里的代理方法代表服务对象上的 "add" 方法，它接受两个 `double` 类型的参数。
DBus::MethodProxy<double(double,double)>& add_proxy
= *(object->create_method<double(double,double)>("dbuscxx.Quickstart","add"));
double answer;
// 使用方法代理调用远程 D-Bus 服务的 `add` 方法。此方法是阻塞调用，直到远程方法执行完毕。
answer = add_proxy( 1.1, 2.2 );
std::cout << "1.1 + 2.2 = " << answer << std::endl;
return 0;
}
参考文献
- https://dbus.freedesktop.org/doc/dbus-tutorial.html
- https://en.wikipedia.org/wiki/D-Bus
- https://www.softprayog.in/programming/d-bus-tutorial
- https://dbus.freedesktop.org/doc/dbus-daemon.1.html
扫一扫
424
被折叠的 条评论
为什么被折叠?
到【灌水乐园】发言
