iceoryx源码阅读（五）——共享内存通信（三）

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0 导引

• iceoryx源码阅读（一）——全局概览

• iceoryx源码阅读（二）——共享内存管理

• iceoryx源码阅读（三）——共享内存管理（一）

• iceoryx源码阅读（四）——共享内存通信（二）

• iceoryx源码阅读（五）——共享内存通信（三）

• iceoryx源码阅读（六）——共享内存创建

• iceoryx源码阅读（七）——服务发现机制

• iceoryx源码阅读（八）——IPC通信机制

• iceoryx源码阅读（九）——等待与通知机制

最近有几个网友希望我续写《iceoryx源码阅读》的剩余部分，所以还是继续写，供大家参考。

本文主要介绍正常的消息接收流程，从流程本身而言，这部分代码逻辑比较简单。为了内容充实，我们对代码做了更深入地解读，结合对前面几篇文章的内容，从代码角度进行分析。

1 正常的消息接收流程

正常的消息接收流程是指接收端调用接收函数，从共享消息队列中获取消息所在位置的描述信息，然后根据这一描述信息，从共享内存读取数据的过程。下面，我们iceoryx向应用层提供的接收消息的函数开始介绍，逐步深入。

1.1 SubscriberImpl::take

职责：
应用层通过SubscriberImpl::take函数接收数据。从逻辑上来说，这个函数通过更底层的方法获取到ChunkHeader指针（我们在iceoryx源码阅读（二）中已经介绍这一数据结构），进而获取到用户负载数据，据此得到用户描述消息所用的结构体。

模板参数：

• T： 消息体类型。
• H： 消息头类型。
• BaseSubscriberType： 基类类型，不明白为什么iceoryx常常把基类也定义为范型，范型用的太范了。

入参：
无

返回值：

返回值的类型为cxx::expected<Sample<const T, const H>, ChunkReceiveResult>，包含两部分：

• 正常情况的返回值类型，即：Sample<const T, const H>，这个类型是对用户负载数据的封装类，以便于更方便地读取其中的数据。

• 错误情况的返回值类型，即：ChunkReceiveResult，其类型定义如下：

enum class ChunkReceiveResult
{
    TOO_MANY_CHUNKS_HELD_IN_PARALLEL,
    NO_CHUNK_AVAILABLE
};

说明了错误原因。

以下是这个函数的代码清单：

template <typename T, typename H, typename BaseSubscriberType>
inline cxx::expected<Sample<const T, const H>, ChunkReceiveResult>
SubscriberImpl<T, H, BaseSubscriberType>::take() noexcept
{
    auto result = BaseSubscriberType::takeChunk();
    if (result.has_error())
    {
        return cxx::error<ChunkReceiveResult>(result.get_error());
    }
    auto userPayloadPtr = static_cast<const T*>(result.value()->userPayload());
    auto samplePtr = iox::unique_ptr<const T>(userPayloadPtr, [this](const T* userPayload) {
        auto* chunkHeader = iox::mepoo::ChunkHeader::fromUserPayload(userPayload);
        this->port().releaseChunk(chunkHeader);
    });
    return cxx::success<Sample<const T, const H>>(std::move(samplePtr));
}

逐段代码分析：

• LINE 05 ～ LINE 09： 调用基类BaseSubscriberType的takeChunk，即：BaseSubscriber的takeChunk方法，获取指向ChunkHeader的指针，关于ChunkHeader，请参考iceoryx源码阅读（二）第4节。

• LINE 10 ～ LINE 15： 根据指向ChunkHeader的指针，获取指向用户数据的指针，并据此构造便于应用层使用的Sample<const T, const H>实例并返回。

1.2 BaseSubscriber<port_t>::takeChunk

职责：

模板类BaseSubscriber<port_t>中，包含了类型为port_t的成员m_port，这就是端口数据结构，iceoryx的端口中封装了队列数据结构，具体见iceoryx源码阅读（四）第1节。对于订阅者类，port_t实际上就是SubscriberPortUser。

入参：

无

返回值： cxx::expected<const mepoo::ChunkHeader*, ChunkReceiveResult>

• 正常情况下返回值类型为const mepoo::ChunkHeader*，即指向ChunkHeader的指针。

• 错误情况下返回值类型为ChunkReceiveResult，用以说明获取失败的原因。

整体代码分析：

template <typename port_t>
inline cxx::expected<const mepoo::ChunkHeader*, ChunkReceiveResult> BaseSubscriber<port_t>::takeChunk() noexcept
{
    return m_port.tryGetChunk();
}

这个函数只是调用m_port（这里是枚举类型port_t，特化类型为SubscriberPortUser）的SubscriberPortUser::tryGetChunk方法。

1.3 SubscriberPortUser::tryGetChunk

这个函数的实现代码如下：

cxx::expected<const mepoo::ChunkHeader*, ChunkReceiveResult> SubscriberPortUser::tryGetChunk() noexcept
{
    return m_chunkReceiver.tryGet();
}

同样是直接调用了m_chunkReceiver，其类型为ChunkReceiver<SubscriberPortData::ChunkReceiverData_t>的tryGet方法，这里的范型参数SubscriberPortData::ChunkReceiverData_t通过追溯至SubscriberPortData，位于iceoryx_posh/include/iceoryx_posh/internal/popo/ports/subscriber_port_data.hpp:64，发现其为iox::popo::SubscriberChunkReceiverData_t类型：

using ChunkReceiverData_t = iox::popo::SubscriberChunkReceiverData_t;

而SubscriberChunkReceiverData_t又是一个类型别名，定义于iceoryx_posh/include/iceoryx_posh/internal/popo/ports/pub_sub_port_types.hpp:：

using SubscriberChunkReceiverData_t =
    ChunkReceiverData<MAX_CHUNKS_HELD_PER_SUBSCRIBER_SIMULTANEOUSLY, SubscriberChunkQueueData_t>;

ChunkReceiverData类也是一个范型类，它的基类是第二个范型参数，在上述代码中就是SubscriberChunkQueueData_t，为类型别名，实际类型如下：

using SubscriberChunkQueueData_t = ChunkQueueData<DefaultChunkQueueConfig, ThreadSafePolicy>;

这说明ChunkReceiverData范型类继承自ChunkQueueData范型类，这个类是通信队列数据机构，我们在《iceoryx源码阅读（四）——共享内存通信（二）》介绍过。

ChunkReceiverData类中（不包括基类）定义了唯一一个成员m_chunksInUse，具体如下：

static constexpr uint32_t MAX_CHUNKS_IN_USE = MaxChunksHeldSimultaneously + 1U;
UsedChunkList<MAX_CHUNKS_IN_USE> m_chunksInUse;

这一成员用于缓存接收到的SharedChunk，原因下一小节将会说明。需要指出的是，UsedChunkList虽然类型名为List，但其本质上是一个数组，具体可以参考iceoryx_posh/include/iceoryx_posh/internal/popo/used_chunk_list.hpp:79-82中的数据成员：

uint32_t m_usedListHead{INVALID_INDEX};
uint32_t m_freeListHead{0u};
uint32_t m_listIndices[Capacity];
DataElement_t m_listData[Capacity];

下面来简单分析一下ChunkReceiver的继承结构，ChunkReceiver<SubscriberPortData::ChunkReceiverData_t>继承自ChunkQueuePopper<typename ChunkReceiverDataType::ChunkQueueData_t>，顾名思义，这个类是从通信队列获取元素的，是对ChunkQueueData的封装。原因如下：这里范型类型ChunkReceiverData_t，即：ChunkReceiverData中定义了一个类型别名：

using ChunkQueueData_t = ChunkQueueDataType;

这里的ChunkQueueDataType其实就是上文中的ChunkQueueData，通过它可以访问消息队列m_queue。下面，我们介绍ChunkReceiver<ChunkReceiverDataType>::tryGet的具体实现，进一步加深对上述数据结构的理解。

1.4 ChunkReceiver::tryGet

ChunkReceiver<ChunkReceiverDataType>为范型类，范型参数

职责：

调用基类的成员方法，取出接收队列中的一个元素，函数返回类型为SharedChunk，我们在《iceoryx源码阅读（二）——共享内存管理》中已经介绍过了（现在看来介绍得有点粗糙 :-）。

入参：

无

返回值： cxx::expected<const mepoo::ChunkHeader*, ChunkReceiveResult>

• 正常情况下返回值类型为const mepoo::ChunkHeader*，即指向ChunkHeader的指针。

• 错误情况下返回值类型为ChunkReceiveResult，用以说明获取失败的原因。

逐段代码分析：

template <typename ChunkReceiverDataType>
inline cxx::expected<const mepoo::ChunkHeader*, ChunkReceiveResult>
ChunkReceiver<ChunkReceiverDataType>::tryGet() noexcept
{
    auto popRet = this->tryPop();

    if (popRet.has_value())
    {
        auto sharedChunk = *popRet;

        // if the application holds too many chunks, don't provide more
        if (getMembers()->m_chunksInUse.insert(sharedChunk))
        {
            return cxx::success<const mepoo::ChunkHeader*>(
                const_cast<const mepoo::ChunkHeader*>(sharedChunk.getChunkHeader()));
        }
        else
        {
            // release the chunk
            sharedChunk = nullptr;
            return cxx::error<ChunkReceiveResult>(ChunkReceiveResult::TOO_MANY_CHUNKS_HELD_IN_PARALLEL);
        }
    }
    return cxx::error<ChunkReceiveResult>(ChunkReceiveResult::NO_CHUNK_AVAILABLE);
}

LINE 05 ~ LINE 05： 调用基类（即：上一小节介绍的ChunkQueuePopper<typename ChunkReceiverDataType::ChunkQueueData_t>）成员函数tryPop从ChunkQueueData维护的消息队列中弹出一个消息元素，返回值为SharedChunk，下一小节详细介绍这个函数的具体实现。

LINE 07 ～ LINE 23： 从消息队列中成功获取消息，将其存入缓存数组中，目的是：（1）后续根据ChunkHeader *指针获取对应的SharedChunk；（2）若不存起来，离开这个函数，SharedChunk实例被析沟，意味着共享内存被释放。有人会问为什么不直接返回SharedChunk呢？其实也是可以的，但还是需要有个地方缓存SharedChunk实例的，直到这块共享内存不再被需要。首次获得就缓存起来是一种更好的方式。

LINE 24 ～ LINE 24：若缓存数组已满，则释放SharedChunk，即：释放了共享内存，并返回错误ChunkReceiveResult::TOO_MANY_CHUNKS_HELD_IN_PARALLEL。

1.5 ChunkQueuePopper::tryPop

职责：
从消息队列m_queue（存放于共享内存中，见：iceoryx源码阅读（四）——共享内存通信（二））获取消息描述数据，并将其转化为SharedChunk实例返回。

入参：

无

返回值： cxx::optional<mepoo::SharedChunk>

这里不需要说明错误原因等额外信息，所以不像前一个函数那样，使用expect作为返回类型。

• 正常情况下返回值类型为mepoo::SharedChunk。

• 错误情况下返回特殊值nullopt_t。

逐段代码分析：

template <typename ChunkQueueDataType>
inline cxx::optional<mepoo::SharedChunk> ChunkQueuePopper<ChunkQueueDataType>::tryPop() noexcept
{
    auto retVal = getMembers()->m_queue.pop();

    // check if queue had an element that was poped and return if so
    if (retVal.has_value())
    {
        auto chunk = retVal.value().releaseToSharedChunk();

        auto receivedChunkHeaderVersion = chunk.getChunkHeader()->chunkHeaderVersion();
        if (receivedChunkHeaderVersion != mepoo::ChunkHeader::CHUNK_HEADER_VERSION)
        {
            LogError() << "Received chunk with CHUNK_HEADER_VERSION '" << receivedChunkHeaderVersion
                       << "' but expected '" << mepoo::ChunkHeader::CHUNK_HEADER_VERSION << "'! Dropping chunk!";
            errorHandler(PoshError::POPO__CHUNK_QUEUE_POPPER_CHUNK_WITH_INCOMPATIBLE_CHUNK_HEADER_VERSION,
                         ErrorLevel::SEVERE);
            return cxx::nullopt_t();
        }
        return cxx::make_optional<mepoo::SharedChunk>(chunk);
    }
    else
    {
        return cxx::nullopt_t();
    }
}

LINE 04 ～ LINE 04： 从共享内存的消息队列m_queue中获取ShmSafeUnmanagedChunk元素（请参考《iceoryx源码阅读（三）——共享内存通信（一）》）。

LINE 07 ~ LINE 21： 获取成功

通过ShmSafeUnmanagedChunk的成员方法releaseToSharedChunk找到对应的共享内存区域，据此创建SharedChunk实例，并返回。注意，LINE 11 ～ LINE 19做了版本检查，如果和接收端版本不一致，同样认为获取失败。版本号是一个整数，用于标识某种不兼容的修改，iceory有如下解释：

/// @brief From the 1.0 release onward, this must be incremented for each incompatible change, e.g.
///            - data width of members changes
///            - members are rearranged
///            - semantic meaning of a member changes
static constexpr uint8_t CHUNK_HEADER_VERSION{1U};

LINE 22 ～ LINE 25： 获取失败

直接返回特殊值cxx::nullopt_t()，这里会隐式调用optional的如下构造函数：

optional(const nullopt_t) noexcept;

2 回调函数接收机制

如果接收端先启动，此时共享内存队列中为空，此时会返回错误ChunkReceiveResult::NO_CHUNK_AVAILABLE，如果接收端一直轮询，则会浪费性能。是否可以在发送端通知的机制实现消息的异步监听和处理？答案是肯定的，我们将在《iceoryx源码阅读（九）——等待与通知机制》对消息发送端的通知逻辑和接收端的等待逻辑进行深入的介绍。

3 小结

本文主要介绍了正常的消息接收流程，对于异步回调的消息接收流程将在后续文章中进行介绍。

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