??? 摘 要： 提出了一種對線程進行合理分組的方法，即亞線程技術(shù)，并提出了動態(tài)亞線程樹的設計思想" title="設計思想">設計思想和運行機制。
??? 關(guān)鍵詞： 多線程? 亞線程? 動態(tài)亞線程
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??? 多線程是近年來非常流行的一項編程技術(shù)。尤其是在網(wǎng)絡傳輸和資源共享軟件的設計中，在多媒體的采集和處理、并行計算、并行處理等方面，更是由于高效性和可靠性要求而使線程技術(shù)得到廣泛使用。多線程技術(shù)保證了程序模塊間的分離度，而且可通過合理劃分功能模塊而減少通信量，實現(xiàn)廣泛的數(shù)據(jù)共享，從而使系統(tǒng)性能得到很大提高。
??? 但是，隨著線程數(shù)目的增多，共享數(shù)據(jù)的管理將變得相當復雜。線程的增多導致對共享數(shù)據(jù)區(qū)的訪問非常頻繁，從而增加了系統(tǒng)的額外開銷。為此，本文提出了基于線程分組的亞線程機制。
??? 在設計中，只要分組合理，亞線程之間的調(diào)用就不會過于頻繁，從而可減少多個線程頻繁訪問共享數(shù)據(jù)而引起的混亂。由此，亞線程機制可以有效地提高系統(tǒng)性能，同時保證數(shù)據(jù)的安全。
1 亞線程機制的設計思想
1.1 亞線程和亞線程樹
??? 亞線程在結(jié)構(gòu)上是基于線程的分組。每個亞線程由一定數(shù)目的線程和共享數(shù)據(jù)組成。編程時，把互相之間有緊密關(guān)系或存在頻繁通信關(guān)系的線程及共享數(shù)據(jù)分到同一個亞線程中。亞線程內(nèi)部的互相調(diào)用和通信幾乎不受限制，只有亞線程之間的訪問會受到一定限制。
??? 一般說，線程是被個別創(chuàng)建的。在亞線程機制中，每個線程被分到某個亞線程中，一旦確定，便不再改變。
??? 總之，亞線程可分為根亞線程和普通亞線程兩類。最基本的亞線程叫根亞線程。若創(chuàng)建線程時不指定亞線程，該線程就會自動歸屬于根亞線程。除了根亞線程之外的亞線程都是普通亞線程。
??? 在亞線程機制中，采用亞線程樹來實現(xiàn)總體設計。亞線程樹是程序中所有亞線程構(gòu)成的樹形結(jié)構(gòu)" title="樹形結(jié)構(gòu)">樹形結(jié)構(gòu)。在這種樹形結(jié)構(gòu)中，一個亞線程通常從屬于其它亞線程。所以，在構(gòu)建一個新的亞線程時，必須指定它從屬于哪個亞線程。若未指定，則會自動歸屬于根亞線程。這樣，一個應用程序" title="應用程序">應用程序中的所有亞線程最終都會直接或間接歸屬于根亞線程。
??? 亞線程樹結(jié)構(gòu)如圖1所示。
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??? 在采用進程-線程結(jié)構(gòu)的應用程序中，亞線程是介于進程和線程之間的中間結(jié)構(gòu)。實驗表明，由于亞線程的加入，使系統(tǒng)效率得到很大提高。
1.2 亞線程機制的具體實例
??? 在本課題組完成的863項目《遠程機器人控制系統(tǒng)》中采用了進程-線程結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上加入了亞線程后，形成進程-亞線程-線程機制。
??? 此系統(tǒng)主要功能是：通過圖像傳輸和命令傳輸，對遠程機器人進行相應控制，并通過加密技術(shù)實現(xiàn)對信息的即時加密。系統(tǒng)采用Client/Server結(jié)構(gòu)。表1和表2分別為Server端和Client端的線程和亞線程列表。
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??? 在Server端，亞線程樹結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，圖像采集、圖像壓縮和圖像傳送三個線程的處理對象都是視頻文件；命令接收和命令執(zhí)行兩個線程的處理對象都是命令；文件加密線程和文件解密線程的處理對象都是文件；文字發(fā)送線程和文字接收線程則負責文字通信?；谏鲜鎏攸c，這些線程構(gòu)成了圖2所示的亞線程樹結(jié)構(gòu)。
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??? 在Client端，程序運行后，每連接一個機器人站點就建立一個進程。每個進程中的亞線程結(jié)構(gòu)如圖3所示。各亞線程的構(gòu)建方法與Server端類似。
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??? 加入亞線程機制后，亞線程間的數(shù)據(jù)訪問受到限制。例如文字發(fā)送、接收線程和S/C同步線程基本不訪問加密解密的文件，亞線程管理器" title="管理器">管理器甚至可以禁止這些線程去訪問傳輸?shù)奈募?。又如，對傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù)，除了Server端的圖像采集、壓縮和傳送線程，以及Client端的圖像接收、解壓縮和顯示線程外，不能被其他任何線程訪問。這樣，通過亞線程機制優(yōu)化了整個應用程序的運行，并保證了數(shù)據(jù)的安全。此外，由于主要操作都歸為亞線程內(nèi)部操作，所以，大大提高了程序執(zhí)行的效率。
1.3 亞線程機制的特點
??? 亞線程機制的特點是，允許對一個亞線程中的所有線程同時操作。例如，可通過調(diào)用相應的方法來設置其中所有線程的優(yōu)先級，也可以啟動或阻塞所有線程。
??? 亞線程機制的另一重要特點是為安全性提供了很好前提。它通過分組來區(qū)分不同安全級別的線程，對不同亞線程中的線程進行不同處理，還可以通過亞線程的分層結(jié)構(gòu)來支持不對等安全措施。在亞線程機制中，一個線程只能修改所屬亞線程樹中的其它線程，這種修改包括修改線程優(yōu)先級別和掛起或喚醒線程等操作。
??? 由于一個亞線程只能訪問那些從自己的根亞線程樹分支出來的線程，而不能訪問其他任何線程。因此，可有效保證數(shù)據(jù)的安全。
2 動態(tài)亞線程樹的運行機制
??? 動態(tài)亞線程樹是對亞線程機制的進一步優(yōu)化，它通過在亞線程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加入亞線程管理器和動態(tài)亞線程機制來實現(xiàn)。
2.1?亞線程管理器
??? 亞線程管理器的功能是對亞線程進行調(diào)控，它獨立于所有亞線程。
??? 具體設計時，亞線程管理器由一個表格和一個控制組件構(gòu)成。表格紀錄各種信息，具體內(nèi)容隨應用程序不同而異。例如，包括亞線程間的交互信息，整個系統(tǒng)中包含的線程和亞線程名，各線程和亞線程對應的父亞線程名，線程及亞線程之間的通信次數(shù)和頻率等?？刂平M件則根據(jù)這些信息做出相應的調(diào)整。
2.2?動態(tài)亞線程機制
??? 大多數(shù)情況下，在線程的整個生命周期中，基本功能、通信對象以及處理對象都較固定，因此，亞線程機制可以有效地優(yōu)化應用程序的執(zhí)行效率。但有時有些線程的通信對象不固定，處理的對象也不固定。如果將這樣的線程永久歸入某一個亞線程，就會降低程序的執(zhí)行效率。
??? 動態(tài)亞線程機制可以較好地解決這個問題。動態(tài)亞線程機制的核心是可以動態(tài)地調(diào)整亞線程樹的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。采用這種機制后，一個線程調(diào)用其它亞線程中的對象或者與其他亞線程通信后，相關(guān)線程的標識符和通信次數(shù)會被根亞線程管理器紀錄下來。若此后多次發(fā)生類似的通信，亞線程管理器就會據(jù)此對亞線程樹進行調(diào)整，將該線程歸入聯(lián)系最多的亞線程中。另外，如果兩個亞線程之間出現(xiàn)頻繁通信，那么亞線程管理器會經(jīng)過評測和判斷來合并兩個亞線程。
??? 圖4是采用動態(tài)亞線程機制時，亞線程樹調(diào)整結(jié)構(gòu)的簡單示例。從圖4中可以看到，亞線程管理器統(tǒng)計結(jié)果中，線程6和亞線程1中的線程通信為20+15+17=42次，遠遠大于與亞線程2內(nèi)部的通信。這種情況下，亞線程管理器通過評測機構(gòu)會得出應該調(diào)整結(jié)構(gòu)的判斷，于是將線程6歸入亞線程1中。
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??? 具體說，亞線程的調(diào)整有以下幾種類型：
??? ①一段時間內(nèi)，T1不屬于Y2，但線程T1和亞線程Y2的通信明顯比較頻繁，這種情況下，T1應歸入Y2。
??? ② 一段時間內(nèi)，線程T1與多個亞線程的通信都很頻繁，這種情況下應將線程T1復制到那些亞線程中，即在相應的亞線程中重新創(chuàng)建與T1相同的線程，并進行相應規(guī)劃。
??? ③ 一段時間內(nèi)，兩個亞線程Y1和Y2的相互通信非常頻繁，則將兩個亞線程進行合并。
??? 隨著多線程的廣泛應用，越來越需要有一種合理的管理機制來管理多線程以免造成調(diào)度的混亂。
??? 亞線程機制可以有效地管理應用程序內(nèi)部多個線程之間的相互訪問和調(diào)度。對應的樹狀" title="樹狀">樹狀結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)訪問和信息交互的安全。通過動態(tài)調(diào)整亞線程內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及整個亞線程樹的樹狀結(jié)構(gòu)，又可以動態(tài)優(yōu)化多線程應用程序的整體性能。
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