深入了解Linux1Wire编程，开创智能家居新篇章(linux1wire编程)

智能家居是未来的发展趋势，而深入了解linux 1wire编程则为智能家居带来了更多的应用和可塑性。本文将通过介绍Linux 1Wire编程的基本原理和实现方法，展示Linux 1Wire编程在智能家居领域中的广泛应用。

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一、Linux 1Wire编程的基本原理

Linux 1Wire编程是一种在Linux平台上操作1Wire总线的编程技术。1Wire总线是一种串行数据总线，常用于连接智能设备和传感器，如温度传感器、湿度传感器等。通过1Wire总线，这些设备可以向主机发送数据和接收指令。

在Linux系统中，1Wire总线的操作可以通过引脚控制器来实现。其中，位于/sys/bus/w1/devices/目录下的文件夹代表了每个连接到1Wire总线上的设备。每个设备都有一个唯一的编号，通常由8个十六进制数字组成。该编号代表了设备在1Wire总线上的地址。

通过读写/sys/bus/w1/devices/目录下的文件，我们可以向连接到1Wire总线上的设备发送指令并读取其返回值。当我们向一个设备发送读取数据的指令时，该设备会向1Wire总线上发送其存储的数据。我们可以通过解析该数据来获取我们需要的信息。

二、Linux 1Wire编程的实现方法

在Linux系统中，我们可以通过shell脚本或C语言来实现1Wire总线的操作。其中，C语言实现的1Wire驱动可以更加稳定和高效。

以下是一个实现读取温度传感器数据的C语言示例代码：

“`c

#include

#include

#include

#include

#include

#define BUF_SIZE 256

int mn(int argc, char *argv[])

{

int fd;

char buf[BUF_SIZE];

char path[BUF_SIZE];

float temp = 0;

snprintf(path, BUF_SIZE, “/sys/bus/w1/devices/%s/w1_slave”, argv[1]);

fd = open(path, O_RDON);

if (fd == -1) {

perror(“Fled to open device”);

exit(EXIT_FLURE);

}

if (read(fd, buf, BUF_SIZE) == -1) {

perror(“Fled to read device”);

exit(EXIT_FLURE);

}

close(fd);

if (strstr(buf, “YES”) != NULL) {

char *tmp = strstr(buf, “t=”);

if (tmp != NULL) {

temp = atoi(tmp + 2) / 1000.0;

printf(“Temperature: %.2f\n”, temp);

}

} else {

printf(“CRC check fled\n”);

}

return 0;

}

“`

该代码通过读取/sys/bus/w1/devices/目录下的文件来获取存储在温度传感器内的温度数据。代码将传感器的地址作为参数传入程序。然后，程序通过该地址构建存储温度数据的文件路径。之后程序从该文件中读取存储的数据并解析出温度值。程序输出温度值并退出。

三、Linux 1Wire编程在智能家居领域的应用

Linux 1Wire编程在智能家居领域的应用非常广泛。以下是几个典型的应用场景：

1. 温度监测

通过连接多个温度传感器到1Wire总线上，我们可以实现对整个家居环境的温度监测。通过1Wire编程，我们可以读取所有传感器的温度数据，并将其存储到数据库中，然后用于分析和控制。例如，我们可以通过该数据来自动调节家居的空调、加热器、通风系统等。

2. 水质监测

通过连接多个水质传感器到1Wire总线上，我们可以实现对家庭自来水、池塘和鱼缸等水体的监测。通过1Wire编程，我们可以读取传感器的ph值、溶解氧、温度等参数，并将其存储到数据库中，以便后续分析和控制。例如，我们可以通过该数据来控制鱼缸内的水泵、空氧机、浇水设备等。

3. 窗户控制

通过连接多个窗户控制器到1Wire总线上，我们可以实现对家庭窗户的远程控制。例如，我们可以通过1Wire编程来控制窗户的开关状态、自动调节窗户高度、远程监测窗户状态等。这些控制器可以自由放置于窗户上，并通过1Wire总线连接到智能家居控制器。

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如何看懂《Linux多线程服务端编程

一：进程和线程

每个进程有自己独立的地址空间。“在同一个进程”还是“不在同一个进程”是系统功能划分的重要决策点。《Erlang程序设计》把进程比喻为人：

每个人有自己的记忆（内存），人与人通过谈话（消息传递）来交流，谈话既可以是面谈姿并野（同一台服务器），也可以在里谈（不同的服务器，有网络通信）。面谈和谈的区别在于，面谈可以立即知道对方是否死了（crash,SIGCHLD），而谈只能通过周期性的心跳来判断对方是否还活着。

有了这些比喻，设计分布式系统时可以采取“角色扮演”，团队里的几个人各自扮演一个进程，人的角色由进程的代码决定（管登录的、管消息分发的、管买卖的等等）。每个人有自己的记忆，但不知道别人的记忆，要想知道别人的看法，只能通过交谈（暂不考虑共享内存这种IPC）。然后就可以思考：迹喊

·容错：万一有人突然死了

·扩容：新人中途加进来

·负载均衡：把甲的活儿挪给乙做

·退休：甲要修复bug，先别派新任务，等他做完手上的事情就把他重启

等等各种场景，十分便利。

线程的特点是共享地址空间，从而可以高效地共享数据。一台机器上的多个进程能高效地共享代码段(操作系统可以映射为同样的物理内存)，但不能共享数据。如果多个进程大量共享内存，等于是把多进程程序当成多线程来写，掩耳盗铃。

“多线程”的价值，我认为是为了更好地发挥多核处理器(multi-cores)的效能。在单核时代，多线程没有多大价值（个人想法：如果要完成的任务是CPU密集型的，那多线程没有优势，甚至因为线程切换的开销，多线程反而更慢；如果要完成的任务既有CPU计算，又有磁盘或网络IO，则使用多线程的好处是，当某个线程因为IO而阻塞时，OS可以调度其他线程执行，虽然效率确实要比任务的顺序执行效率要高，然而，这种类型的任务，可以通过单线程的”non-blocking IO+IO multiplexing”的模型（事件驱动）来提高效率，采用多线程的方式，带来的可能仅仅是编程上的简单而已）。Alan Cox说过：”A computer is a state machine.Threads are for people who can’t program state machines.”（计算机是一台状态机。线程是给那些不能编写状态机程序的人准备的）如果只有一块CPU、一个执行单元，那么确实如Alan Cox所说，按状态机的思路去写程序是最蔽谨高效的。

二：单线程服务器的常用编程模型

据我了解，在高性能的网络程序中，使用得最为广泛的恐怕要数”non-blocking IO + IO multiplexing”这种模型，即Reactor模式。

在”non-blocking IO + IO multiplexing”这种模型中，程序的基本结构是一个事件循环（event loop），以事件驱动（event-driven）和事件回调的方式实现业务逻辑：

view plain copy

//代码仅为示意，没有完整考虑各种情况

while(!done)

{

int timeout_ms = max(1000, getNextTimedCallback());

int retval = poll(fds, nfds, timeout_ms);

if (retval0){

处理IO事件，回调用户的IO event handler

}

}

}

这里select(2)/poll(2)有伸缩性方面的不足（描述符过多时，效率较低），Linux下可替换为epoll(4)，其他操作系统也有对应的高性能替代品。

Reactor模型的优点很明显，编程不难，效率也不错。不仅可以用于读写socket，连接的建立(connect(2)/accept(2))，甚至DNS解析都可以用非阻塞方式进行，以提高并发度和吞吐量(throughput)，对于IO密集的应用是个不错的选择。lighttpd就是这样，它内部的fdevent结构十分精妙，值得学习。

基于事件驱动的编程模型也有其本质的缺点，它要求事件回调函数必须是非阻塞的。对于涉及网络IO的请求响应式协议，它容易割裂业务逻辑，使其散布于多个回调函数之中，相对不容易理解和维护。

三：多线程服务器的常用编程模型

大概有这么几种：

a：每个请求创建一个线程，使用阻塞式IO操作。在Java 1.4引人NIO之前，这是Java网络编程的推荐做法。可惜伸缩性不佳（请求太多时，操作系统创建不了这许多线程）。

b：使用线程池，同样使用阻塞式IO操作。与第1种相比，这是提高性能的措施。

c：使用non-blocking IO + IO multiplexing。即Java NIO的方式。

d：Leader/Follower等高级模式。

在默认情况下，我会使用第3种，即non-blocking IO + one loop per thread模式来编写多线程C++网络服务程序。

1：one loop per thread

此种模型下，程序里的每个IO线程有一个event loop，用于处理读写和定时事件（无论周期性的还是单次的）。代码框架跟“单线程服务器的常用编程模型”一节中的一样。

libev的作者说：

One loop per thread is usually a good model. Doing this is almost never wrong, some times a better-performance model exists, but it is always a good start.

这种方式的好处是：

a：线程数目基本固定，可以在程序启动的时候设置，不会频繁创建与销毁。

b：可以很方便地在线程间调配负载。

c：IO事件发生的线程是固定的，同一个TCP连接不必考虑事件并发。

Event loop代表了线程的主循环，需要让哪个线程干活，就把timer或IO channel（如TCP连接）注册到哪个线程的loop里即可：对实时性有要求的connection可以单独用一个线程；数据量大的connection可以独占一个线程，并把数据处理任务分摊到另几个计算线程中（用线程池）；其他次要的辅助性connections可以共享一个线程。

比如，在dbproxy中，一个线程用于专门处理客户端发来的管理命令；一个线程用于处理客户端发来的MySQL命令，而与后端数据库通信执行该命令时，是将该任务分配给所有事件线程处理的。

对于non-trivial（有一定规模）的服务端程序，一般会采用non-blocking IO + IO multiplexing，每个connection/acceptor都会注册到某个event loop上，程序里有多个event loop，每个线程至多有一个event loop。

多线程程序对event loop提出了更高的要求，那就是“线程安全”。要允许一个线程往别的线程的loop里塞东西，这个loop必须得是线程安全的。

在dbproxy中，线程向其他线程分发任务，是通过管道和队列实现的。比如主线程accept到连接后，将表示该连接的结构放入队列，并向管道中写入一个字节。计算线程在自己的event loop中注册管道的读事件，一旦有数据可读，就尝试从队列中取任务。

2：线程池

不过，对于没有IO而光有计算任务的线程，使用event loop有点浪费。可以使用一种补充方案，即用blocking queue实现的任务队列：

view plain copy

typedef boost::functionFunctor;

BlockingQueue taskQueue; //线程安全的全局阻塞队列

//计算线程

void workerThread()

{

while (running) //running变量是个全局标志

{

Functor task = taskQueue.take(); //this blocks

task(); //在产品代码中需要考虑异常处理

}

}

// 创建容量（并发数）为N的线程池

int N = num_of_computing_threads;

for (int i = 0; i task = boost::bind(&Foo::calc，&foo);

taskQueue.post(task);

除了任务队列，还可以用BlockingQueue实现数据的生产者消费者队列，即T是数据类型而非函数对象，queue的消费者从中拿到数据进行处理。其实本质上是一样的。

3：总结

总结而言，我推荐的C++多线程服务端编程模式为：one (event) loop per thread + thread pool：

event loop用作IO multiplexing，配合non-blockingIO和定时器；

thread pool用来做计算，具体可以是任务队列或生产者消费者队列。

以这种方式写服务器程序，需要一个优质的基于Reactor模式的网络库来支撑，muduo正是这样的网络库。比如dbproxy使用的是libevent。

程序里具体用几个loop、线程池的大小等参数需要根据应用来设定，基本的原则是“阻抗匹配”（解释见下），使得CPU和IO都能高效地运作。所谓阻抗匹配原则：

如果池中线程在执行任务时，密集计算所占的时间比重为 P (0 就能立刻列出用到某服务的客户端地址（Foreign Address列），然后在客户端的机器上用netstat或lsof命令找出是哪个进程发起的连接。TCP短连接和UDP则不具备这一特性。二是通过接收和发送队列的长度也较容易定位网络或程序故障。在正常运行的时候，netstat打印的Recv-Q和Send-Q都应该接近0，或者在0附近摆动。如果Recv-Q保持不变或持续增加，则通常意味着服务进程的处理速度变慢，可能发生了死锁或阻塞。如果Send-Q保持不变或持续增加，有可能是对方服务器太忙、来不及处理，也有可能是网络中间某个路由器或交换机故障造成丢包，甚至对方服务器掉线，这些因素都可能表现为数据发送不出去。通过持续监控Recv-Q和Send-Q就能及早预警性能或可用性故障。以下是服务端线程阻塞造成Recv-Q和客户端Send-Q激增的例子：

view plain copy

$netstat -tn

Proto Recv-Q Send-Q Local Address Foreign

tcp.0.0.10:.0.0.10:#服务端连接

tcp.0.0.10:.0.0.10:#客户端连接

tcp.0.0.10:.0.0.4:

五：多线程服务器的适用场合

如果要在一台多核机器上提供一种服务或执行一个任务，可用的模式有：

a：运行一个单线程的进程；

b：运行一个多线程的进程；

c：运行多个单线程的进程；

d：运行多个多线程的进程；

考虑这样的场景：如果使用速率为50MB/s的数据压缩库，进程创建销毁的开销是800微秒，线程创建销毁的开销是50微秒。如何执行压缩任务？

如果要偶尔压缩1GB的文本文件，预计运行时间是20s，那么起一个进程去做是合理的，因为进程启动和销毁的开销远远小于实际任务的耗时。

如果要经常压缩500kB的文本数据，预计运行时间是10ms，那么每次都起进程 似乎有点浪费了，可以每次单独起一个线程去做。

如果要频繁压缩10kB的文本数据，预计运行时间是200微秒，那么每次起线程似 乎也很浪费，不如直接在当前线程搞定。也可以用一个线程池，每次把压缩任务交给线程池，避免阻塞当前线程（特别要避免阻塞IO线程）。

由此可见，多线程并不是万灵丹(silver bullet)。

1：必须使用单线程的场合

据我所知，有两种场合必须使用单线程：

a：程序可能会fork(2)；

实际编程中，应该保证只有单线程程序能进行fork(2)。多线程程序不是不能调用fork(2)，而是这么做会遇到很多麻烦：

fork一般不能在多线程程序中调用，因为Linux的fork只克隆当前线程的thread of control，不可隆其他线程。fork之后，除了当前线程之外，其他线程都消失了。

这就造成一种危险的局面。其他线程可能正好处于临界区之内，持有了某个锁，而它突然死亡，再也没有机会去解锁了。此时如果子进程试图再对同一个mutex加锁，就会立即死锁。因此，fork之后，子进程就相当于处于signal handler之中（因为不知道调用fork时，父进程中的线程此时正在调用什么函数，这和信号发生时的场景一样），你不能调用线程安全的函数（除非它是可重入的），而只能调用异步信号安全的函数。比如，fork之后，子进程不能调用：

malloc，因为malloc在访问全局状态时几乎肯定会加锁；

任何可能分配或释放内存的函数，比如snprintf；

任何Pthreads函数；

printf系列函数，因为其他线程可能恰好持有stdout/stderr的锁；

除了man 7 signal中明确列出的信号安全函数之外的任何函数。

因此，多线程中调用fork，唯一安全的做法是fork之后，立即调用exec执行另一个程序，彻底隔断子进程与父进程的联系。

在多线程环境中调用fork，产生子进程后。子进程内部只存在一个线程，也就是父进程中调用fork的线程的副本。

使用fork创建子进程时，子进程通过继承整个地址空间的副本，也从父进程那里继承了所有互斥量、读写锁和条件变量的状态。如果父进程中的某个线程占有锁，则子进程同样占有这些锁。问题是子进程并不包含占有锁的线程的副本，所以子进程没有办法知道它占有了哪些锁，并且需要释放哪些锁。

尽管Pthread提供了pthread_atfork函数试图绕过这样的问题，但是这回使得代码变得混乱。因此《Programming With Posix Threads》一书的作者说：”Avoid using fork in threaded code except where the child process will immediately exec a new program.”。

b：限制程序的CPU占用率；

这个很容易理解，比如在一个8核的服务器上，一个单线程程序即便发生busy-wait，占满1个core，其CPU使用率也只有12.5%，在这种最坏的情况下，系统还是有87.5%的计算资源可供其他服务进程使用。

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