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【实时Linux实战系列】实时应用的多版本共存与无缝升级

news 2025/10/18 7:39:22

背景与重要性

在需要7x24小时运行的实时系统中，应用程序的无中断升级是一个关键需求。这种系统通常用于金融交易、工业自动化、电信等领域，任何停机时间都可能导致严重的经济损失或安全问题。因此，实现应用程序的无缝升级是确保系统高可用性和可靠性的关键。

应用场景

金融交易系统：需要实时处理交易请求，任何中断都可能导致交易失败或数据不一致。
工业自动化系统：需要实时监控和控制生产设备，任何中断都可能导致生产事故。
电信系统：需要实时处理通信请求，任何中断都可能导致通信中断或数据丢失。

重要性和价值

对于开发者来说，掌握实时应用的无缝升级技能具有重要的价值。这不仅可以帮助开发者提高系统的可用性和可靠性，还可以提升他们在高可用性系统开发中的竞争力。此外，通过实现无缝升级，可以减少系统的维护时间和成本。

核心概念

实时任务的特性

实时任务是指对时间敏感的任务，必须在规定的时间内完成。实时任务的特性包括：

确定性：任务必须在预定的时间内完成，不能出现延迟。
周期性：任务通常以固定的时间间隔重复执行。
优先级：实时任务通常根据优先级进行调度，高优先级的任务优先执行。

基本概念

版本切换：在运行时切换应用程序的不同版本。
状态迁移：在升级过程中，将应用程序的状态从旧版本迁移到新版本。
主备进程：通过主进程和备用进程的切换，确保系统的高可用性。

环境准备

软硬件环境

为了进行实时应用的无缝升级实践，需要准备以下软硬件环境：

硬件环境：
- 开发板：如NVIDIA Jetson Nano、Raspberry Pi 4等，具有足够的计算能力和网络接口。
软件环境：
- 操作系统：Ubuntu 20.04 LTS（长期支持版本）。
- 开发工具：GCC 9.3.0、GDB 9.2。
- 运行时库：如librt（实时库）。

环境安装与配置

安装Ubuntu 20.04 LTS
- 下载Ubuntu 20.04 LTS的ISO文件，并使用Rufus等工具制作启动U盘。
- 启动开发板，从U盘启动并安装Ubuntu 20.04 LTS。
- 安装完成后，更新系统：

安装开发工具
- 安装GCC和GDB：
- ```
sudo apt install build-essential gdb -y
```
安装运行时库
- 安装实时库：
- ```
sudo apt install librt-dev -y
```

实际案例与步骤

案例研究：实现实时应用的无缝升级

本案例将展示如何实现实时应用的无缝升级，包括版本切换、状态迁移和主备进程切换策略。

步骤1：编写示例代码

创建示例程序

创建一个简单的实时应用程序，用于测试无缝升级。例如，一个实时任务程序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>#define SHM_NAME "/my_shared_memory"
#define SHM_SIZE 1024struct shared_data {int version;char status[100];
};void* real_time_task(void* arg) {struct shared_data* shared = (struct shared_data*)arg;while (1) {printf("Real-time task running (version %d): %s\n", shared->version, shared->status);sleep(1);}return NULL;
}int main() {int shm_fd;struct shared_data* shared;shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0666);if (shm_fd == -1) {perror("shm_open");exit(EXIT_FAILURE);}ftruncate(shm_fd, SHM_SIZE);shared = mmap(NULL, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);if (shared == MAP_FAILED) {perror("mmap");exit(EXIT_FAILURE);}shared->version = 1;strcpy(shared->status, "Initial status");pthread_t thread;pthread_create(&thread, NULL, real_time_task, shared);pause(); // Wait for signalsmunmap(shared, SHM_SIZE);close(shm_fd);shm_unlink(SHM_NAME);return 0;
}

保存为real_time_task.c。

编译代码

编译代码，确保可以运行

gcc -o real_time_task real_time_task.c -lrt -pthread

步骤2：实现版本切换

创建符号链接
- 创建一个符号链接，指向当前运行的版本：
- ```
ln -s real_time_task v1
```

修改启动脚本
- 创建一个启动脚本，通过符号链接启动应用程序：
```
#!/bin/bash
./v1
```
保存为start.sh，并赋予执行权限：
```
chmod +x start.sh
```

步骤3：实现状态迁移

修改代码以支持状态迁移

修改代码，确保在升级过程中状态信息可以迁移到新版本。例如，通过共享内存保存状态信息：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <string.h>
#include <pthread.h>#define SHM_NAME "/my_shared_memory"
#define SHM_SIZE 1024struct shared_data {int version;char status[100];
};void* real_time_task(void* arg) {struct shared_data* shared = (struct shared_data*)arg;while (1) {printf("Real-time task running (version %d): %s\n", shared->version, shared->status);sleep(1);}return NULL;
}int main() {int shm_fd;struct shared_data* shared;shm_fd = shm_open(SHM_NAME, O_CREAT | O_RDWR, 0666);if (shm_fd == -1) {perror("shm_open");exit(EXIT_FAILURE);}ftruncate(shm_fd, SHM_SIZE);shared = mmap(NULL, SHM_SIZE, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, shm_fd, 0);if (shared == MAP_FAILED) {perror("mmap");exit(EXIT_FAILURE);}shared->version = 1;strcpy(shared->status, "Initial status");pthread_t thread;pthread_create(&thread, NULL, real_time_task, shared);pause(); // Wait for signalsmunmap(shared, SHM_SIZE);close(shm_fd);shm_unlink(SHM_NAME);return 0;
}

保存为real_time_task_v2.c。

编译新版本代码
- 编译新版本代码，确保可以运行：
- ```
gcc -o real_time_task_v2 real_time_task_v2.c -lrt -pthread
```
更新符号链接
- 更新符号链接，指向新版本：
- ```
ln -sf real_time_task_v2 v1
```

步骤4：实现主备进程切换

创建主备进程切换脚本
- 创建一个脚本，用于管理主备进程的切换：
- ```
#!/bin/bash# Start the primary process
./v1 &# Wait for a signal to switch
trap 'kill $!; ./v1 &' SIGUSR1wait
```
- 保存为switch.sh，并赋予执行权限：

bashchmod +x switch.sh

运行主备进程切换脚本
- 运行脚本，启动主进程：
- ```
./switch.sh
```

触发切换
- 发送信号，触发主备进程切换：
- ```
kill -SIGUSR1 <switch.sh进程ID>
```

步骤5：验证无缝升级

观察程序输出
- 观察程序的输出，确保在切换过程中状态信息保持一致。例如：

Real-time task running (version 1): Initial status
Real-time task running (version 1): Initial status
Real-time task running (version 2): Initial status
Real-time task running (version 2): Initial status