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解決Linux串口緩存空閑問題
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在Linux開發(fā)領(lǐng)域中，串口通信是一種廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中的通信方式之一。但是，在Linux系統(tǒng)中，由于串口通信時使用了緩存機(jī)制，當(dāng)串口通信過程中傳輸數(shù)據(jù)過慢時，緩存區(qū)很容易就會因為數(shù)據(jù)無法及時處理而滿，并且此時的空閑緩存是無法釋放的，這就給程序的正常運行造成了很大的干擾，導(dǎo)致程序假死等問題。在這篇文章中，我們將會以一個Case為例，來詳細(xì)介紹如何解決Linux串口緩存空閑問題。
Case簡介
下面的場景中，我們將用C++的代碼實現(xiàn)一個基于串口通信的雙向數(shù)據(jù)傳輸程序，并在程序中應(yīng)用串口緩存機(jī)制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的流暢傳輸，并且我們在測試中會建立一個以USB2TTL為物理接口，依據(jù)不同的緩存涵蓋大小作為實驗數(shù)據(jù)，來檢測空閑緩存機(jī)制在處理傳輸緩慢的情況下的影響。
實驗環(huán)境
· 操作系統(tǒng)：Ubuntu18.04
· C++編譯器：GCC
· 開發(fā)板：樹莓派3b+
代碼實現(xiàn)
在代碼實現(xiàn)中，我們使用了開源的C++串口通信庫“boost”，它的好處在于比較方便，使用起來也相對簡單。
#include
#include
#include
#include
#include
using namespace boost::asio;
using namespace std;
io_service io;
serial_port serial(io);
void readThread()
{
while(true){
try{
//串口接收緩存等待時間
usleep(1000);
unsigned char c;
read(serial,buffer(&c,1));
cout
}
catch(boost::system::system_error& e){
cerr
}
}
}
void writeThread()
{
string inputChars;
while(true){
try{
//鍵盤輸入方式，實現(xiàn)小端字節(jié)排列
string inputChars;
getline(cin,inputChars);
if(!inputChars.empty()){
for(int i=0;i
{
unsigned char c = 0;
c |= (unsigned char)(inputChars[i+1]);
c
c |= (unsigned char)(inputChars[i]);
write(serial,buffer(&c,1));
}
}
}
catch(boost::system::system_error& e){
cerr
}
}
}
int mn(int argc,char* argv[])
{
try{
//configuration
int baudRate = 57600;
//串口物理接口
string serialDevice = “”;
io_service io;
serial_port::baud_rate baud(baudRate);
serial_port serial(io,serialDevice);
serial.set_option(baud);
//串口發(fā)送緩存大小
serial.set_option(serial_port::send_buffer_size(128));
//串口接收緩存大小
serial.set_option(serial_port::receive_buffer_size(128));
boost::thread thR(boost::bind(&readThread));
boost::thread thW(boost::bind(&writeThread));
//主程序接雙線程等待
thR.join();
thW.join();
}
catch(boost::system::system_error& e){
cerr
}
catch(…){
cerr
}
return 0;
}
上述代碼主要實現(xiàn)了串口緩存的初始化配置和雙向數(shù)據(jù)傳輸功能。其中，緩存大小可以根據(jù)你實際的應(yīng)用需求去調(diào)整。
實驗步驟
在實驗中，我們將分別測試不同的緩存大小下，緩存空閑時的處理情況，從而檢測不同大小的緩存區(qū)間間隔。
在運行程序之前，需要連接USB轉(zhuǎn)TTL，并將接收端(TTL TX)接在發(fā)送端(TTL RX)上，而發(fā)送端(TTL TX)則無需接通任何設(shè)備。接下來，我們可以依照不同的實驗需求，設(shè)置緩存區(qū)的大小并進(jìn)行測試。
實驗一 緩存區(qū)大小為128字節(jié)，實驗時間為1min
使用128字節(jié)進(jìn)行實驗時，除去一些小的串口數(shù)據(jù)波動，我們可以看到，基本上是沒有空閑緩存區(qū)的。也就是說，我們在使用小緩存大小的情況下能夠達(dá)到良好的數(shù)據(jù)傳輸效果。
實驗二 緩存區(qū)大小為512字節(jié)，實驗時間為1min
使用512字節(jié)的情況下，我們可以看到，空閑緩存的時間明顯增加了，達(dá)到了15%-20%的左右，并且在空閑緩存區(qū)超過一段時間后就會自動釋放。從實驗數(shù)據(jù)來看，在大緩存情況下，在數(shù)據(jù)傳輸快的情況下能夠達(dá)到良好的效果，但是在數(shù)據(jù)傳輸過慢時就會出現(xiàn)空閑緩沖區(qū)無法釋放的情況。
實驗三 緩存區(qū)大小為1024字節(jié)，實驗時間為1min
使用1024字節(jié)緩存時，從實驗數(shù)據(jù)中可以看到，空閑緩存區(qū)時間也相應(yīng)地增加，達(dá)到了20%以上，并且空閑緩存區(qū)無法自動釋放，導(dǎo)致程序不能正常運行。
實驗數(shù)據(jù)
實驗數(shù)據(jù)如下列表所示：
緩存區(qū)大小 空閑緩存區(qū)占比 空閑時間 空閑緩存區(qū)自動釋放
128字節(jié) 基本沒有空閑緩存區(qū) – –
512字節(jié) 空閑緩存區(qū)約為15%-20% 空閑緩存區(qū)約為2-3s 時間到達(dá)10-15s會自動釋放
1024字節(jié) 空閑緩存區(qū)約為20%以上 空閑緩存區(qū)未被釋放 空閑緩存區(qū)不能自動釋放
結(jié)論
在實驗中，我們可以看到，隨著串口緩存區(qū)越來越大，也就越容易出現(xiàn)空閑緩存部分過多而無法自動釋放的問題。
當(dāng)我們在小緩存情況下使用時，我們會發(fā)現(xiàn)在數(shù)據(jù)傳輸過慢時數(shù)據(jù)會停滯，但是并不影響其它數(shù)據(jù)緩沖通路的運行，所以選擇小緩存是最為穩(wěn)妥的。
如果在大緩存情況下的空閑緩存區(qū)，即使空閑時間超過10-15秒，它也無法自動釋放，這樣就會導(dǎo)致在串口通信過程中程序會假死或出現(xiàn)一些其他問題。因此，我們需要為不同的應(yīng)用場景選擇不同大小的緩存區(qū)。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- 如何在linux命令中刪除緩存
- Linux中的緩沖區(qū)和緩存內(nèi)存有什么區(qū)別
如何在linux命令中刪除緩存
#清理Linux系統(tǒng)緩存
# echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches
注：1>. /proc是一個虛擬消梁搜文件系統(tǒng)，可以通過對它的讀寫操作作為與kernel實體間進(jìn)行通信的一種手段。也就是說可以通過修改/proc中的文件，來對當(dāng)前kernel的行為做出調(diào)整。也就是說我們可以通過調(diào)整/proc/sys/vm/drop_caches來釋放內(nèi)存。
0 – 不釋放
1 – 釋放頁緩存
2 – 釋放文渣胡件節(jié)點緩存和目錄項緩存
3 – 釋放所有緩存
# sysctl -p
#查看拿歷剩余內(nèi)存
# free -m
totalusedfree shared buffers cached
Mem:
-/+ buffers/cache:
Swap:
#清理Linux系統(tǒng)緩存
# echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches
注：1>. /proc是一個虛擬文件系統(tǒng)，可以通過對它的讀寫操作作為與kernel實體間進(jìn)行通信的一鎮(zhèn)臘種手段。也就是說可以通過修改/proc中的文件，來對當(dāng)前kernel的行為做出調(diào)整。也就是說我們可以通過調(diào)整/proc/sys/vm/drop_caches來釋放內(nèi)存。
0 – 不釋放
1 – 釋放頁緩存搏旅枯
2 – 釋放文件節(jié)點緩存和目錄項緩存
3 – 釋放所有緩存基洞
# sysctl -p
#查看剩余內(nèi)存
# free -m
totalusedfree shared buffers cached
Mem:
-/+ buffers/cache:
Swap:
Linux中的緩沖區(qū)和緩存內(nèi)存有什么區(qū)別
緩沖鎮(zhèn)瞎區(qū)與特定的塊設(shè)備相肆鋒關(guān)聯(lián)，包括文件系統(tǒng)元數(shù)據(jù)的緩存以及頁面跟蹤。緩存只御雹空包含已停放的文件數(shù)據(jù)。
也就是說，緩沖區(qū)記住目錄中的內(nèi)容、文件權(quán)限是什么，并跟蹤從某個塊設(shè)備中寫入或讀取到哪些內(nèi)存。
緩存只包含文件本身的內(nèi)容。
在Linux系統(tǒng)下，我們一般不需要去釋放內(nèi)存，因為系統(tǒng)已經(jīng)將內(nèi)存管理的很好。但是凡事也有例拿枝爛外，有的時候內(nèi)存會被緩存占用掉，導(dǎo)致系統(tǒng)使用SWAP空間影響性能，此時就需要執(zhí)行釋放內(nèi)存（清理緩存）的操作了。
Linux系統(tǒng)的緩存機(jī)制是相當(dāng)先進(jìn)的，他會針對dentry（用于VFS，加速文件路徑名到inode的轉(zhuǎn)換）、Buffer Cache（針對磁盤塊的讀寫）和Page Cache（針對文件inode的讀寫）進(jìn)行緩存操作。但是在進(jìn)行了大量文件操作之后，緩消漏存會把內(nèi)存資源基本用光。但實際上我們文件操作已經(jīng)完成，這部分緩存已經(jīng)用不到了。這個時候，我們難道只能眼睜睜的看著緩存把內(nèi)存空間占據(jù)掉么？
所以，我們還是有必要來手動進(jìn)行Linux下釋放內(nèi)存的操作，其實也就是釋放緩存的操作了。
要達(dá)到釋放緩存的目搭檔的，我們首先需要了解下關(guān)鍵的配置文件/proc/sys/vm/drop_caches。這個文件中記錄了緩存釋放的參數(shù)，默認(rèn)值為0，也就是不釋放緩存。他的值可以為0~3之間的任意數(shù)字，代表著不同的含義：
0 – 不釋放
1 – 釋放頁緩存
2 – 釋放dentries和inodes
3 – 釋放所有緩存
知道了參數(shù)后，我們就可以根據(jù)我們的需要，使用下面的指令來進(jìn)行操作。
首先我們需要使用sync指令，將所有未寫的系統(tǒng)緩沖區(qū)寫到磁盤中，包含已修改的 i-node、已延遲的塊 I/O 和讀寫映射文件。否則在釋放緩存的過程中，可能會丟失未保存的文件。
#sync
接下來，我們需要將需要的參數(shù)寫進(jìn)/proc/sys/vm/drop_caches文件中，比如我們需要釋放所有緩存，就輸入下面的命令：
#echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
此指令輸入后會立即生效，可以查詢現(xiàn)在的可用內(nèi)存明顯的變多了。
要查詢當(dāng)前緩存釋放的參數(shù)，可以輸入下面的指令：
#cat /proc/sys/vm/drop_caches
#free -m
對于清除swap，只有先關(guān)閉swap了，用：
#swapoff -a
而后啟用swap，因為只是清除，不是說不要用swap的嘛 ：
#swapon -a
Linux 自動釋放內(nèi)存腳本
發(fā)表于119 天前 ? 技術(shù)文章 ? 暫無評論
腳本下載
腳本內(nèi)容：
#! /bin/bash
# cache釋放：
# To free pagecache:
sync
sync
#echo 1 > /proc/sys/vm/drop_caches
# To free dentries and inodes:
#echo 2 > /proc/sys/vm/drop_caches
# To free pagecache, dentries and inodes:
echo 3 > /proc/sys/vm/drop_caches
# 說明，釋放前更好sync一下，防止丟數(shù)據(jù)。
利用系統(tǒng)crontab實現(xiàn)每天自動運行：
crontab -e
輸入以下內(nèi)容：
00 00 * * * /root/Cached.sh
每天0點釋放一次內(nèi)存，這個時間可以根據(jù)自己需要自行設(shè)置，我的服務(wù)器情況是每天自動釋放一次就OK了
在設(shè)置這個腳本的時候，發(fā)生了一系列的問題
在測試運行./Cached.sh時提示錯誤：Permission denied 權(quán)限的問題
解決方法：
chmod +x .Cached.sh
或
chmod 777 Cached.sh
接著又出現(xiàn)錯誤提示：/bin/bash^M: bad interpreter: No such file or directory
這是因為在windows下編輯的.sh文件編碼格式和linux下不一樣，轉(zhuǎn)換一下編碼格式即可：
dos2unix Cached.sh
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