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- 燕山大学
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多线程技术的引入,不仅可以挖掘潜在的CPU空闲时间,而且还可以提高应用程序的反应速度,其优点在有多个任务需要完成、有巨大数据流量的程序中反映得尤为明显。而随着VisualC++的引入,其灵活的线程实现机制使得程序员从繁琐的Windows编程中解脱出来。关于多线程基本机理和实现方法近年来有许多文章介绍,这里不再赘述。本文将侧重于比较在工控程序中采用各种线程类型和同步方法的优劣,并给出一个实用的、有较广适应性的程序主体框架。1 各种线程类型和同步方法
1.1 线程类型
Visual C++中线程分为工作者线程(Worker Thread)和用户界面线程(User Interface Thread)两大类。
用户界面线程的特点是拥有单独的消息队列,可以具有自己的窗口界面,能够对事件和用户输入做出响应,具体实现时由CWinThread派生出一个类。但其缺点是当需要停止或撤销当前正在运行的线程而向其发送中止消息后,只有在消息队列中排在前面的消息被一一处理完之后,线程才能接受中止消息并停止当前工作,这对CPU是一种浪费,在对实时性要求较高的工控程序中是不可容忍的。
工作者线程适用于处理后台任务,而不影响用户对应用程序的使用。工作者线程仅仅由一个函数体实现,其实现简单,便于编程者控制,与事件同步方法相配合能对中止消息做出较快反应。
1.2 同步方法
在多线程应用程序中,两个或更多的线程同时访问相同数据会导致不可预知的结果,因此保持线程间的同步是一个不可或缺的环节。VisualC++提供了四种同步方法:临界区(Critical Section)、信号灯(Semaphore)、互斥量(Mutex)和事件(Event)。
其中采用临界区、信号灯或互斥量进行同步时,线程间的同步过程由操作系统完全控制,系统仅仅防止多个线程对同一资源的同时使用,而相同优先级的线程对同一资源的使用顺序是编程者无法控制的。而在一般工控系统中,当主控台下方设备数据变化时,应能及时中止当前的计算(如果当前计算未完成的话)并根据新的数据开始新一轮的计算,因而要求各线程对所处理的数据有一定的操作次序。
事件同步是通过将事件自身设置为有信号或无信号来通知其它线程某一操作已完成或尚未完成,其设置可由编程人员手工完成,适合于工控程序应用。尽管事件同步方式平均效率比上面三种方式稍低,但在工控程序应用中相对于因数据未能及时更新而导致大量的无用计算及其对实时性的损害来讲,还是非常值得的。
下面介绍的是笔者参与某‘九五’预研项目中所设计的主控台程序的基本框架,这个程序框架应能适用于大多数工控系统的主控程序。
2 软件框架
一般工控系统的主控部分通常所必须完成的两件事是 1)通过通信端口与下端设备通信,接收下端设备传来的数据或向下端设备发送指令;(2)对下端设备所传数据进行处理。
与之相对应,该软件具有一个主线程和两个子线程,其中一个子线程为通信线程,另一个为计算线程。主线程是Windows下每个应用程序都具备的,负责线程间的同步、向计算线程和通信线程传递参数、管理人机界面、接收用户输入、数据库的操作和管理等功能。通信线程通过通信端口(可以是串口、并口或网络接口等)负责与下端的设备进行通信并交换数据,当存在多级控制结构时,还可用来与更高一级的控制设备进行通信并向上传递数据。计算线程负责核心算法的实现,根据系统的不同完成不同的数据处理任务。程序结构如图1。
进程开始后先由主线程建立通信线程与计算线程。通信线程监视通信端口,当下方设备发来数据时,就向主线程发送自定义的WM_USER_COMM_NOTIFY消息,通知主线程计算数据有所改变,主线程则对之进行处理,即中止当前的计算,并重新开始计算。
3 具体实现
用Visual C++的AppWizard生成一个应用程序,这是主控程序的雏形,该应用程序暂取名为CtrSys,后面程序名都以此为准。
3.1 多线程的定义及生成
3.1.1 多线程的定义
向项目中加入threads.cpp文件,在该文件中写入通信线程和计算线程的控制函数。
控制函数有下面的原型:
UINT MyThreadProc(LPVOID lpvThreadParam)；
lpvThreadParam参数是32位的值,这个值就是在线程对象产生时传递给线程构造函数的参数。控制函数能解释此值的不同表现方式。它可以被当作一个普通变量对待,也可以被视为一个指向包含有多个参数的结构指针,也可以被忽略。如果参数指向一个结构,这个结构可能不仅仅用来从调用者传递参数给线程,还可能用来从线程回传数据给调用者。如果使用这样的结构回传给调用者,结果准备好后线程需要通知调用者。
控制函数终止时,应该返回一个UINT类型的值,表明终止的原因。返回码0表示成功,其它值表示不同类型的错误,这完全依赖实现情况。
按一般程序示例,线程通常在视类或框架窗口类中产生。但在工控程序中,通信与计算线程常常要大量地对计算数据进行操作,根据文档/视的程序框架结构,文档类常常用来存储所要处理的数据。因此把计算与通信线程放在文档类中产生,并把产生线程的当前文档对象的指针作为线程控制函数的参数传递给线程。
从而,在控制函数(CalcThreadProc ()和CommThreadProc())一开始,就要对所传来的参数进行识别:
CCtrsysDoc* pDoc = (CCtrsysDoc*)pParam；
注意要在文件开头包括进文档类的头文件
#include ″CtrsysDoc.h″
3.1.2 多线程的产生
在文档类的构造函数中产生线程。程序启动时生成文档对象,同时启动两个线程。
////////////////////////////////////
// CCtrsysDoc construction/destruction
CCtrsysDoc：：CCtrsysDoc()
{
……
m_pCalcThread=AfxBeginThread(CalcThreadProc， this)；
m_pCommThread=AfxBeginThread(CommThreadProc， this)；
}
注意不要用Win32的CreateThread()建立线程,而应该用AfxBeginThread()函数,否则所建立的线程不能访问其它MFC对象。
3.2 线程间的同步
程序中设置有八个事件用于线程同步:
HANDLE m_hEventPost； //用来允许通信线程向主框架
发送WM_USER_COMM_NOTIFY消息
HANDLE m_hEventStartCalc； //主框架通知计算线程开始计算
HANDLE m_hEventCalcStarted； //计算线程通知主框架计算已经开始
HANDLE m_hEventStopCalc； //主框架通知计算线程中止计算
HANDLE m_hEventCalcStopped； //计算线程通知主框架计算已经中止
HANDLE m_hEventCalcDone； //计算线程通知主框架计算已经结束
HANDLE m_hEventUpdateSourceData； //主框架通知计算线程更新数据
HANDLE m_hEventSourceDataUpdated； //通信线程通知主框架数据已更新完毕
这八个事件是主线程和两个子线程之间同步所必需的,读者可根据自己程序的需要另行添加。
因各线程都以文档对象指针为参数,这些事件都在文档类头文件中定义,这些事件在文档类的构造函数中生成并赋初值。
CCtrsysDoc：：CCtrsysDoc()
{
……
m_hEventPost=CreateEvent(NULL，TRUE，TRUE， NULL)；
m_hEventCalcDone=CreateEvent(NULL，TRUE，FALSE， NULL)；
m_hEventCalcStarted=CreateEvent(NULL，TRUE，FALSE，NULL)；
m_hEventStartCalc=CreateEvent(NULL， TRUE，FALSE， NULL)；
m_hEventSourceDataUpdated=CreateEvent(NULL，TRUE，FALSE， NULL)；
m_hEventUpdateSourceData=CreateEvent(NULL，TRUE，FALSE， NULL)；
m_hEventCalcStopped=CreateEvent(NULL，TRUE，FALSE， NULL)；
m_hEventStopCalc=CreateEvent(NULL， TRUE，FALSE， NULL)；
……
}
线程的同步工作主要在主框架CMainFrame类的WM_USER_COMM_NOTIFY消息响应函数OnCommNotify中进行。当下方通信设备参数改变时,通信线程发送给CMainFrame类一个WM_USER_COMM_NOTIFY消息。CMainFrame类接收到消息后,在消息响应函数OnCommNotify中终止计算线程的当前计算,计算成功终止后由通信线程更新计算所需的数据源,待更新完毕后,重新开始计算。线程同步部分流程如图2。
3.3 通信线程
通信线程部分流程如图3所示。
3.4 计算线程
编程者应根据数据处理过程,在运算量较大或循环次数较多的地方设置对m_hEventStopCalc事件的查询。当数据发生更新时,使用其它线程类型和同步方法往往必须等到数据处理部分结束,这样整个一次数据处理都是无用计算;而采用上述方法,因数据更新所造成的无用计算仅仅是一步循环或几行指令,相比而言,所导致的延时和CPU浪费是微不足道的。
计算线程部分流程如图4所示。
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