μC／OS－II和LWIP的并發(fā)服務(wù)器與代理線程設(shè)計模式

蔣俊，鐘偉勝

（1.長沙 410081；2.江蘇省淮安技師學(xué)院）

蔣俊（自由職業(yè)者），從事嵌入式開發(fā)6年，擅長μC／OS－II和LWIP，熟悉DSP和ARM開發(fā)，自主開發(fā)過GUI庫，精通電能計量、測量、諧波分析；鐘偉勝（講師），主要研究方向為計算機網(wǎng)絡(luò)。

引 言

現(xiàn)有一嵌入式設(shè)備具備網(wǎng)絡(luò)通信功能，它要求設(shè)計成支持多臺數(shù)據(jù)采集器同時進(jìn)行通信，如圖1所示。多種原因（價格，功耗和尺寸）的限制導(dǎo)致該嵌入式設(shè)備的處理能力和存儲空間有限，因此選用μC／OS－II操作系統(tǒng)和LWIP協(xié)議棧。在通信過程中，數(shù)據(jù)采集器充當(dāng)客戶端，嵌入式設(shè)備是服務(wù)器，顯然，需要將該嵌入式設(shè)備設(shè)計成并發(fā)服務(wù)器，另外為節(jié)省內(nèi)存，需要設(shè)計代理線程模式。

圖1 多臺采集器與嵌入式設(shè)備通信

1 基于μC／OS－II動態(tài)生成線程

一般來說OS都支持動態(tài)生成線程（或進(jìn)程），μC／OS－II也不例外，對于程序員來說，要處理4方面的問題：線程的正文、優(yōu)先級、堆?？臻g和檢測堆棧占用率。

正文（text）即線程的執(zhí)行代碼，經(jīng)常組織成一個無限循環(huán)的函數(shù)，更具普遍規(guī)律的是，在網(wǎng)絡(luò)開發(fā)中多個線程的正文都是同一個函數(shù)，因為這些線程基本上完成相同的任務(wù)，差異只是連接的主機不同。

μC／OS－II中的優(yōu)先級具有十分重要的意義，不僅影響該線程的調(diào)度，而且在整個系統(tǒng)中它是唯一的ID，可以分配一段ID號給動態(tài)線程。

最重要的工作是堆棧的處理，當(dāng)生成一個線程時需要給它分配一段內(nèi)存充當(dāng)堆棧，當(dāng)刪除該線程時需要回收這段內(nèi)存。

根據(jù)線程個數(shù)與每個線程堆棧大小定義一塊內(nèi)存區(qū)，然后使用OS提供的OSMemCreate（）生成動態(tài)內(nèi)存區(qū)，每當(dāng)生成一個線程時，調(diào)用OSMemGet（）來獲取一塊內(nèi)存，將該內(nèi)存的句柄保存；刪除一個線程時，調(diào)用OSMemPut（）將該內(nèi)存回收。這里有一個問題，怎么查找被刪除線程的堆棧呢？其實它是根據(jù)該線程的優(yōu)先級號來完成的。

一個線程可以調(diào)用OSTaskDel（）來刪除自己，那么它可以回收自己的堆棧嗎？事實上，這樣做很危險！當(dāng)一個線程沒有完全刪除時，它是依賴堆棧來運行的，如果此時回收了堆?？臻g，可能會帶來致命的錯誤。假設(shè)一個線程回收自己的堆棧且該內(nèi)存立即被別的線程使用，那么當(dāng)它還想使用這個堆棧執(zhí)行最后一些工作時，堆棧里的有效數(shù)據(jù)已經(jīng)被破壞了，這可能會帶來程序的崩潰，而且這種錯誤很難查找。

一個安全可行的辦法是，一個線程向創(chuàng)建者發(fā)送消息——請回收我的堆?？臻g，然后刪除自己，注意這2個動作必然是“原子的”，否則上述的錯誤就不可避免了。μC／OS－II在刪除線程的函數(shù) OSTaskDel（）中提供鉤子函數(shù)App＿TaskDelHook（），并且調(diào)用該鉤子函數(shù)時中斷被關(guān)閉，從而保證原子操作，可以在該函數(shù)中發(fā)送消息。

最后，一個強大的嵌入式系統(tǒng)需要檢測線程的堆棧占用率，以防止堆棧溢出帶來的內(nèi)存錯誤。引入動態(tài)線程后，線程個數(shù)是未知的，該如何檢測堆棧占用率呢？這個工作可以交給OS來完成，因為它最了解哪些線程已經(jīng)被創(chuàng)建（通過查看OS＿TCB來完成），可以簡單地調(diào)用OSTaskStkChk（）遍歷所有優(yōu)先級號，對于已創(chuàng)建線程會返回堆棧使用數(shù)據(jù)，不存在的線程會返回錯誤信息（如該線程不存在）。［1］

2 基于LWIP的并發(fā)服務(wù)器

我們先來解決一個理論問題：為什么網(wǎng)絡(luò)通信多連接需要設(shè)計并發(fā)線程，用一個線程來查詢并處理多連接是否可以呢？回答這個問題需要看看處理一個網(wǎng)絡(luò)連接的線程到底在干什么。在LWIP協(xié)議棧中，當(dāng)線程調(diào)用netconn＿recv（）等待連接主機的報文時會被阻塞在郵箱recvmbox上，直到接收成功該線程才進(jìn)行下一步處理。阻塞在OS中是通過切換CPU來實現(xiàn)的，阻塞時間內(nèi)該線程什么也干不了，查詢并處理多連接是不可能的。因此，一個線程處理一個網(wǎng)絡(luò)連接，這種模式最自然，也最科學(xué)。

這里有一個主線程負(fù)責(zé)偵聽網(wǎng)絡(luò)，每建立一個網(wǎng)絡(luò)連接時創(chuàng)建一個新線程并傳遞網(wǎng)絡(luò)連接句柄，新線程開始處理對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)連接上的所有事務(wù)，直到該網(wǎng)絡(luò)連接斷開時才刪除自己，并通知主線程回收堆?？臻g，整個工作過程如圖2所示。

圖2 多線程與并發(fā)連接

結(jié)合LWIP看上述過程的實現(xiàn)，主線程阻塞在netconn＿accept（）上，每接收一個新連接句柄struct netconn＊p＿stNetConn，就會創(chuàng)建一個新線程并傳遞該句柄。新線程將阻塞在netconn＿recv（）上，每接收一個網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包struct netbuf＊p＿stNetBuf后進(jìn)行處理，新線程通過查詢ERR＿IS＿FATAL（p＿stNetConn－＞err）來得知網(wǎng)絡(luò)連接是否有效，如果無效，則刪除自己并通知主線程回收堆?？臻g。［3］

3 代理線程設(shè)計模式

從圖1中可以看出，無論多少個數(shù)據(jù)采集器，嵌入式設(shè)備的數(shù)據(jù)都是一致的，即數(shù)據(jù)與客戶端連接個數(shù)無關(guān)；另外，每個數(shù)據(jù)采集器與設(shè)備通信的操作是相同的（一個優(yōu)秀架構(gòu)會保證通信操作的同構(gòu)性）。因此，引入代理線程設(shè)計模式，至少具備2方面的優(yōu)點：

①節(jié)省內(nèi)存。假設(shè)解析通信協(xié)議需要N字節(jié)內(nèi)存，如果新建M個線程，那么采用代理線程將節(jié)省N×（M－1）字節(jié)內(nèi)存，除代理線程外其他都不需要解析協(xié)議，這對于嵌入式系統(tǒng)寶貴內(nèi)存來說是一個極大的優(yōu)勢。

② 避免競態(tài)。一份數(shù)據(jù)如果被多個線程共享，那必定會帶來令人頭痛的競態(tài)問題，設(shè)計者不得不花費大量精力來保證線程安全；采用代理線程后，該數(shù)據(jù)只被一個線程操作，從源頭避免共享，降低設(shè)計復(fù)雜度。［2］

圖3描述了代理線程的工作原理，當(dāng)客戶端Client＿i向線程Thread＿i發(fā)起通信請求時，線程把該請求委托給Proxy－Thread來完成，Proxy－Thread解析該委托任務(wù)并回應(yīng)客戶端Client＿i。同時，也顯示了這種設(shè)計模式的缺點，需要線程之間通信和少量的時間開銷。

圖3 代理線程通信原理

在多線程設(shè)計中不得不提的是時序問題，它可以清晰地反映線程之間是如何交互的，OS是如何調(diào)度線程的以及系統(tǒng)的運行軌跡。在本設(shè)計中，委托線程與代理線程的交互如圖4所示，每當(dāng)委托線程提交任務(wù)后它就被阻塞，直到代理線程處理完該任務(wù)才解除阻塞；另外代理線程負(fù)荷最重，它占用大部分的CPU資源。

圖4 線程交互時序圖

委托線程與代理線程之間的通信接口該怎樣設(shè)計呢？從需求出發(fā)，代理線程完成委托線程的任務(wù)需要以下資源：網(wǎng)絡(luò)連接句柄、接收數(shù)據(jù)包指針、同步信號量和委托線程私有數(shù)據(jù)存儲區(qū)。發(fā)送回應(yīng)數(shù)據(jù)包必須提供網(wǎng)絡(luò)連接句柄；要解析協(xié)議必須依賴接收數(shù)據(jù)包；當(dāng)代理線程完成任務(wù)后需要同步委托線程，這里將使用信號；客戶端往往需要設(shè)置委托線程，數(shù)據(jù)將保存在它的私有數(shù)據(jù)存儲區(qū)。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計如圖5所示。

圖5 線程通信接口

在上述通信接口設(shè)計中有SemProtect用于保護(hù)線程的私有數(shù)據(jù)單元，這個信號量有存在的必要嗎？以圖6中沒有設(shè)置信號保護(hù)的情況為例，這將直接導(dǎo)致一個錯誤：當(dāng)Proxy需要通過連接句柄主動發(fā)送數(shù)據(jù)時，委托線程搶奪了CPU，并將該連接句柄置為無效，等Proxy再次獲得CPU時，它并不知道該句柄已經(jīng)無效了，發(fā)送數(shù)據(jù)將會導(dǎo)致LWIP協(xié)議棧紊亂。

圖6 沒有信號量保護(hù)導(dǎo)致錯誤

解決這個問題的辦法就是原子操作，即檢測線程有效與使用連接句柄發(fā)送數(shù)據(jù)不能被打斷，信號量能夠勝任這種場合。圖7和圖8表明，無論Proxy先還是后，獲取信號量都能避免上述狀況下錯誤的發(fā)生。

圖7 Proxy先獲取信號量

圖8 Proxy后獲取信號量

結(jié) 語

本文重點研究了基于μC／OS－II和LWIP的嵌入式系統(tǒng)下并發(fā)服務(wù)器和代理線程的實現(xiàn)模式，它具備網(wǎng)絡(luò)多連接（數(shù)目僅依賴內(nèi)存大?。┖蜆O大節(jié)省內(nèi)存的優(yōu)勢，深入探究線程同步和網(wǎng)絡(luò)開發(fā)陷阱，對于嵌入式系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)具備實用價值。

論文中涉及的技術(shù)方法已在嵌入式產(chǎn)品上驗證成功，該產(chǎn)品軟件基于μC／OS－II V2.86和 LWIP V1.3.2，硬件基于LPC1768處理器和以太網(wǎng)口，實踐證明論文中的方法穩(wěn)定、可行。

［1］Jean J Labrosse.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS－II［M］.邵貝貝，等譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

［2］David E.Simon嵌入式系統(tǒng)軟件教程［M］.陳向群，等譯.北京：機械工業(yè)出版社，2005.

［3］Adam Dunkels.Design and Implementation of the LWIP TCP／IP Stack.Swedish Institute of Computer Science，2001.