摘? 要： 提出多線程工控程序中最適宜采用工作者線程和事件同步方式,并給出了一個通用的工控程序框架。
關(guān)鍵詞： 多線程 同步 事件
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多線程技術(shù)的引入,不僅可以挖掘潛在的CPU空閑時間,而且還可以提高應(yīng)用程序的反應(yīng)速度,其優(yōu)點(diǎn)在有多個任務(wù)需要完成、有巨大數(shù)據(jù)流量的程序中反映得尤為明顯。而隨著Visual C++的引入,其靈活的線程實(shí)現(xiàn)機(jī)制使得程序員從繁瑣的Windows編程中解脫出來。關(guān)于多線程基本機(jī)理和實(shí)現(xiàn)方法近年來有許多文章介紹,這里不再贅述。本文將側(cè)重于比較在工控程序中采用各種線程類型和同步方法的優(yōu)劣,并給出一個實(shí)用的、有較廣適應(yīng)性的程序主體框架。
1 各種線程類型和同步方法
1.1 線程類型
Visual C++中線程分為工作者線程(Worker Thread)和用戶界面線程(User Interface Thread)兩大類。
用戶界面線程的特點(diǎn)是擁有單獨(dú)的消息隊(duì)列,可以具有自己的窗口界面,能夠?qū)κ录陀脩糨斎胱龀鲰憫?yīng),具體實(shí)現(xiàn)時由CWinThread派生出一個類。但其缺點(diǎn)是當(dāng)需要停止或撤銷當(dāng)前正在運(yùn)行的線程而向其發(fā)送中止消息后,只有在消息隊(duì)列中排在前面的消息被一一處理完之后,線程才能接受中止消息并停止當(dāng)前工作,這對CPU是一種浪費(fèi),在對實(shí)時性要求較高的工控程序中是不可容忍的。
工作者線程適用于處理后臺任務(wù),而不影響用戶對應(yīng)用程序的使用。工作者線程僅僅由一個函數(shù)體實(shí)現(xiàn),其實(shí)現(xiàn)簡單,便于編程者控制,與事件同步方法相配合能對中止消息做出較快反應(yīng)。
1.2 同步方法
在多線程應(yīng)用程序中,兩個或更多的線程同時訪問相同數(shù)據(jù)會導(dǎo)致不可預(yù)知的結(jié)果,因此保持線程間的同步是一個不可或缺的環(huán)節(jié)。Visual C++提供了四種同步方法:臨界區(qū)(Critical Section)、信號燈(Semaphore)、互斥量(Mutex)和事件(Event)。
其中采用臨界區(qū)、信號燈或互斥量進(jìn)行同步時,線程間的同步過程由操作系統(tǒng)完全控制,系統(tǒng)僅僅防止多個線程對同一資源的同時使用,而相同優(yōu)先級的線程對同一資源的使用順序是編程者無法控制的。而在一般工控系統(tǒng)中,當(dāng)主控臺下方設(shè)備數(shù)據(jù)變化時,應(yīng)能及時中止當(dāng)前的計(jì)算(如果當(dāng)前計(jì)算未完成的話)并根據(jù)新的數(shù)據(jù)開始新一輪的計(jì)算,因而要求各線程對所處理的數(shù)據(jù)有一定的操作次序。
事件同步是通過將事件自身設(shè)置為有信號或無信號來通知其它線程某一操作已完成或尚未完成,其設(shè)置可由編程人員手工完成,適合于工控程序應(yīng)用。盡管事件同步方式平均效率比上面三種方式稍低,但在工控程序應(yīng)用中相對于因數(shù)據(jù)未能及時更新而導(dǎo)致大量的無用計(jì)算及其對實(shí)時性的損害來講,還是非常值得的。
下面介紹的是筆者參與某‘九五’預(yù)研項(xiàng)目中所設(shè)計(jì)的主控臺程序的基本框架,這個程序框架應(yīng)能適用于大多數(shù)工控系統(tǒng)的主控程序。
2 軟件框架
一般工控系統(tǒng)的主控部分通常所必須完成的兩件事是:(1)通過通信端口與下端設(shè)備通信,接收下端設(shè)備傳來的數(shù)據(jù)或向下端設(shè)備發(fā)送指令;(2)對下端設(shè)備所傳數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
與之相對應(yīng),該軟件具有一個主線程和兩個子線程,其中一個子線程為通信線程,另一個為計(jì)算線程。主線程是Windows下每個應(yīng)用程序都具備的,負(fù)責(zé)線程間的同步、向計(jì)算線程和通信線程傳遞參數(shù)、管理人機(jī)界面、接收用戶輸入、數(shù)據(jù)庫的操作和管理等功能。通信線程通過通信端口(可以是串口、并口或網(wǎng)絡(luò)接口等)負(fù)責(zé)與下端的設(shè)備進(jìn)行通信并交換數(shù)據(jù),當(dāng)存在多級控制結(jié)構(gòu)時,還可用來與更高一級的控制設(shè)備進(jìn)行通信并向上傳遞數(shù)據(jù)。計(jì)算線程負(fù)責(zé)核心算法的實(shí)現(xiàn),根據(jù)系統(tǒng)的不同完成不同的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。程序結(jié)構(gòu)如圖1。
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進(jìn)程開始后先由主線程建立通信線程與計(jì)算線程。通信線程監(jiān)視通信端口,當(dāng)下方設(shè)備發(fā)來數(shù)據(jù)時,就向主線程發(fā)送自定義的WM_USER_COMM_NOTIFY消息,通知主線程計(jì)算數(shù)據(jù)有所改變,主線程則對之進(jìn)行處理,即中止當(dāng)前的計(jì)算,并重新開始計(jì)算。
3 具體實(shí)現(xiàn)
用Visual C++的AppWizard生成一個應(yīng)用程序,這是主控程序的雛形,該應(yīng)用程序暫取名為CtrSys,后面程序名都以此為準(zhǔn)。
3.1 多線程的定義及生成
3.1.1 多線程的定義
向項(xiàng)目中加入threads.cpp文件,在該文件中寫入通信線程和計(jì)算線程的控制函數(shù)。
控制函數(shù)有下面的原型:
UINT MyThreadProc(LPVOID lpvThreadParam)；
lpvThreadParam參數(shù)是32位的值,這個值就是在線程對象產(chǎn)生時傳遞給線程構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)?？刂坪瘮?shù)能解釋此值的不同表現(xiàn)方式。它可以被當(dāng)作一個普通變量對待,也可以被視為一個指向包含有多個參數(shù)的結(jié)構(gòu)指針,也可以被忽略。如果參數(shù)指向一個結(jié)構(gòu),這個結(jié)構(gòu)可能不僅僅用來從調(diào)用者傳遞參數(shù)給線程,還可能用來從線程回傳數(shù)據(jù)給調(diào)用者。如果使用這樣的結(jié)構(gòu)回傳給調(diào)用者,結(jié)果準(zhǔn)備好后線程需要通知調(diào)用者。
控制函數(shù)終止時,應(yīng)該返回一個UINT類型的值,表明終止的原因。返回碼0表示成功,其它值表示不同類型的錯誤,這完全依賴實(shí)現(xiàn)情況。
按一般程序示例,線程通常在視類或框架窗口類中產(chǎn)生。但在工控程序中,通信與計(jì)算線程常常要大量地對計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行操作,根據(jù)文檔/視的程序框架結(jié)構(gòu),文檔類常常用來存儲所要處理的數(shù)據(jù)。因此把計(jì)算與通信線程放在文檔類中產(chǎn)生,并把產(chǎn)生線程的當(dāng)前文檔對象的指針作為線程控制函數(shù)的參數(shù)傳遞給線程。
從而,在控制函數(shù)(CalcThreadProc ()和CommThreadProc())一開始,就要對所傳來的參數(shù)進(jìn)行識別:
CCtrsysDoc* pDoc = (CCtrsysDoc*)pParam；
注意要在文件開頭包括進(jìn)文檔類的頭文件
#include ″CtrsysDoc.h″
3.1.2? 多線程的產(chǎn)生
在文檔類的構(gòu)造函數(shù)中產(chǎn)生線程。程序啟動時生成文檔對象,同時啟動兩個線程。
??? ////////////////////////////////////
??? // CCtrsysDoc construction/destruction
CCtrsysDoc：：CCtrsysDoc()
{
????……
??? m_pCalcThread=AfxBeginThread(CalcThreadProc， this)；
??? m_pCommThread=AfxBeginThread(CommThreadProc， this)；
}
??? 注意不要用Win32的CreateThread()建立線程,而應(yīng)該用AfxBeginThread()函數(shù),否則所建立的線程不能訪問其它MFC對象。
3.2 線程間的同步
??? 程序中設(shè)置有八個事件用于線程同步:
??? HANDLE m_hEventPost；???????????? //用來允許通信線程向主框架?
??? 發(fā)送WM_USER_COMM_NOTIFY消息
??? HANDLE m_hEventStartCalc；?????? ?//主框架通知計(jì)算線程開始計(jì)算
??? HANDLE m_hEventCalcStarted；????? //計(jì)算線程通知主框架計(jì)算已經(jīng)開始
??? HANDLE m_hEventStopCalc；???????? //主框架通知計(jì)算線程中止計(jì)算
??? HANDLE m_hEventCalcStopped；????? //計(jì)算線程通知主框架計(jì)算已經(jīng)中止
??? HANDLE m_hEventCalcDone；???????? //計(jì)算線程通知主框架計(jì)算已經(jīng)結(jié)束
??? HANDLE m_hEventUpdateSourceData； //主框架通知計(jì)算線程更新數(shù)據(jù)
??? HANDLE m_hEventSourceDataUpdated； //通信線程通知主框架數(shù)據(jù)已更新完畢
??? 這八個事件是主線程和兩個子線程之間同步所必需的,讀者可根據(jù)自己程序的需要另行添加。
因各線程都以文檔對象指針為參數(shù),這些事件都在文檔類頭文件中定義,這些事件在文檔類的構(gòu)造函數(shù)中生成并賦初值。
CCtrsysDoc：：CCtrsysDoc()
{
??? ……
??? m_hEventPost=CreateEvent(NULL，TRUE，TRUE， NULL)；
??? m_hEventCalcDone=CreateEvent(NULL，TRUE，F(xiàn)ALSE， NULL)；
??? m_hEventCalcStarted=CreateEvent(NULL，TRUE，F(xiàn)ALSE，NULL)；
??? m_hEventStartCalc=CreateEvent(NULL， TRUE，F(xiàn)ALSE， NULL)；
??? m_hEventSourceDataUpdated=CreateEvent(NULL，TRUE，F(xiàn)ALSE， NULL)；
??? m_hEventUpdateSourceData=CreateEvent(NULL，TRUE，F(xiàn)ALSE， NULL)；
??? m_hEventCalcStopped=CreateEvent(NULL，TRUE，F(xiàn)ALSE， NULL)；
??? m_hEventStopCalc=CreateEvent(NULL， TRUE，F(xiàn)ALSE， NULL)；
??? ……
}
??? 線程的同步工作主要在主框架CMainFrame類的WM_USER_COMM_NOTIFY消息響應(yīng)函數(shù)OnCommNotify中進(jìn)行。當(dāng)下方通信設(shè)備參數(shù)改變時,通信線程發(fā)送給CMainFrame類一個WM_USER_COMM_NOTIFY消息。CMainFrame類接收到消息后,在消息響應(yīng)函數(shù)OnCommNotify中終止計(jì)算線程的當(dāng)前計(jì)算,計(jì)算成功終止后由通信線程更新計(jì)算所需的數(shù)據(jù)源,待更新完畢后,重新開始計(jì)算。線程同步部分流程如圖2。
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3.3 通信線程
??? 通信線程部分流程如圖3所示。
3.4 計(jì)算線程
??? 編程者應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理過程,在運(yùn)算量較大或循環(huán)次數(shù)較多的地方設(shè)置對m_hEventStopCalc事件的查詢。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生更新時,使用其它線程類型和同步方法往往必須等到數(shù)據(jù)處理部分結(jié)束,這樣整個一次數(shù)據(jù)處理都是無用計(jì)算;而采用上述方法,因數(shù)據(jù)更新所造成的無用計(jì)算僅僅是一步循環(huán)或幾行指令,相比而言,所導(dǎo)致的延時和CPU浪費(fèi)是微不足道的。
計(jì)算線程部分流程如圖4所示。
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參考文獻(xiàn)
1 王 齊.Windows 95中的串行通信.微電腦世界，1997；(3)
2 (美)Richard C. Leinecker著.陳冠民，王如亮等譯.?Visual C++ 5.0 開發(fā)技術(shù)內(nèi)幕. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1999
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