基于現(xiàn)代并發(fā)技術(shù)的測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

王越，夏京川，祁正興，陸小龍

(四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065)

0 引言

測控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響著測控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。其中，多個(gè)方面的因素決定了并發(fā)編程在現(xiàn)代測控系統(tǒng)軟件中的必要性：1) 數(shù)據(jù)采集量大，并需要進(jìn)行復(fù)雜算法處理，要求系統(tǒng)具有一定的可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性；2) 系統(tǒng)復(fù)雜度與集成度的不斷提高增加了用戶與應(yīng)用程序交互的頻率，要求軟件具有良好的響應(yīng)能力；3) 現(xiàn)代測控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢以及云計(jì)算的需求，軟件中信息的傳輸速率需要進(jìn)一步提高[1-2]。本文描述了利用Windows系統(tǒng).Net Framework中的并發(fā)技術(shù)來設(shè)計(jì)測控系統(tǒng)軟件，增強(qiáng)系統(tǒng)的整體性能。

1 并發(fā)編程技術(shù)簡介

1.1 早期多線程技術(shù)

Windows系統(tǒng)中并發(fā)編程通常采用多線程模式，線程是運(yùn)行在一個(gè)單一進(jìn)程上下文中的邏輯流，由內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度，其共享所在進(jìn)程的整個(gè)虛擬地址空間。每一個(gè)線程都包括線程內(nèi)核對象、線程環(huán)境塊、用戶模式棧、內(nèi)核模式棧等內(nèi)容[3]。進(jìn)程在創(chuàng)建或終止任一線程時(shí)，會調(diào)用進(jìn)程中加載的所有非托管DLL(dynamic linking library，動態(tài)鏈接庫)的DllMain方法。

使用Thread編程模型，開發(fā)者能夠直接創(chuàng)建與操縱操作系統(tǒng)級別的線程[1]。然而，線程的每一次創(chuàng)建、終止過程都會產(chǎn)生巨大的開銷；同時(shí)，一個(gè)CPU任一時(shí)刻只能運(yùn)行一個(gè)線程，過多的線程會導(dǎo)致頻繁的線程上下文切換，造成更為嚴(yán)重的性能損耗。通常程序開發(fā)者無法了解計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)特性，一味地增加線程必然會導(dǎo)致計(jì)算機(jī)資源的極大浪費(fèi)。

Thread Pool模型則將線程管理工作移交到了操作系統(tǒng)本身，采取復(fù)用的方式(工作項(xiàng)在線程中排隊(duì)，線程池線程執(zhí)行完當(dāng)前工作項(xiàng)后，繼續(xù)執(zhí)行下一個(gè)工作項(xiàng))來確保計(jì)算機(jī)中線程數(shù)量維持在一個(gè)合理的值。Thread Pool使用特定的探索方式來決定是否添加新的線程，以及保證線程池中最大線程數(shù)量。在較新的Net版本(4.0及以上)中，線程數(shù)量最大值由可利用內(nèi)存空間決定，這能充分利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的多核CPU硬件資源[4]。

1.2 任務(wù)與異步

TPL(task parallel library，任務(wù)并行庫)是基于Thread Pool工作原理提出的一種新的并發(fā)編程模型，其提供了一個(gè)規(guī)范、更易理解的并發(fā)編程結(jié)構(gòu)。

Task是一種抽象概念，代表并發(fā)工作的基本單元，即是指被創(chuàng)建活動運(yùn)行的同時(shí)，主(創(chuàng)建)線程仍然在持續(xù)執(zhí)行[5]。Task可指定為工作線程或I/O線程，由Thread Pool進(jìn)行調(diào)度，內(nèi)置為后臺線程執(zhí)行并且不可改變。通過配置TaskCreationOptions與TaskScheduler選項(xiàng)可調(diào)整運(yùn)行時(shí)Task參數(shù)，以適應(yīng)不同的工作需求。

異步的核心理念是異步操作，啟動了的操作將會在一段時(shí)間后完成，該操作不會阻塞原來的線程，其結(jié)束時(shí)會通知原有線程操作已完成[6]。編譯器后臺采用FSM(有限狀態(tài)機(jī))原理，實(shí)現(xiàn)future模式或回調(diào)機(jī)制，以避免產(chǎn)生不必要的線程。實(shí)現(xiàn)異步的通用方式為創(chuàng)建一個(gè)Task并指定ContinueWith()方法，通過配置同步上下文(SynchronizationContext)，可將完成后的延續(xù)任務(wù)(continuation)調(diào)回到原有線程中執(zhí)行?，F(xiàn)代的異步.Net程序則主要使用兩個(gè)關(guān)鍵字：async和await(.Net 4.5及以上)以簡化異步操作的調(diào)用。

1.3 數(shù)據(jù)訪問與同步

同一進(jìn)程的多個(gè)線程將共享絕大多數(shù)運(yùn)行資源與數(shù)據(jù)。當(dāng)多個(gè)線程想同時(shí)獲得同一個(gè)資源時(shí)，將產(chǎn)生競爭；當(dāng)多段并發(fā)代碼想同時(shí)訪問一個(gè)數(shù)據(jù)，并且至少有一段代碼在修改數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)將變得不安全或產(chǎn)生錯誤。在以上兩種情況下，都需要使用同步技術(shù)來協(xié)調(diào)多線程的執(zhí)行，保證線程間的調(diào)用安全。

Windows提供了用戶與內(nèi)核模式構(gòu)造線程同步機(jī)制。用戶模式使用特殊CPU指令來協(xié)調(diào)線程，以確保數(shù)據(jù)變量呈現(xiàn)為原子性；而內(nèi)核模式由Windows自身提供，可根據(jù)線程運(yùn)行情況切換至等待、就緒、休眠等狀態(tài)，有利于系統(tǒng)監(jiān)測與整體管理[2]。為在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可進(jìn)行整體管理的同時(shí)最大化優(yōu)化線程同步性能，更合理的方式是混合使用用戶模式與內(nèi)核模式，其實(shí)現(xiàn)形式包括Monitor、Lock、ManualResetEventSlim、ReaderWriterLockSlim等。

1.4 線程停止與任務(wù)取消

當(dāng)程序并發(fā)運(yùn)行時(shí)，用戶常常因?yàn)槟承┰蛑兄共l(fā)線程。早期技術(shù)如Abort()方法將強(qiáng)制退出線程，可能使進(jìn)程中共享資源處于無效狀態(tài)而導(dǎo)致后續(xù)的錯誤，Interrupt()方法僅在線程處于WaitSleepJoin狀態(tài)下完成，該狀態(tài)由于線程原因可能永遠(yuǎn)無法達(dá)到從而造成死鎖。在.Net 4.0中，提供CancellationTokenSource與CancellationToken來處理取消問題。其實(shí)現(xiàn)機(jī)制主要為協(xié)調(diào)取消請求與并發(fā)操作，在操作內(nèi)部定義可安全取消位置，僅當(dāng)程序運(yùn)行在安全位置(通常采用輪詢方式)時(shí)拋出異常并取消線程。

2 并發(fā)技術(shù)在測控系統(tǒng)軟件中的應(yīng)用

由上述可見，多線程的主要優(yōu)勢在于構(gòu)建性能良好、可伸縮、響應(yīng)靈敏的應(yīng)用程序。其核心理念在于將線程與任務(wù)分開，線程由框架根據(jù)操作系統(tǒng)特性創(chuàng)建并維護(hù)，開發(fā)者僅需要創(chuàng)建可劃分為小塊的任務(wù)，框架將自動地將任務(wù)調(diào)度到合適的線程并執(zhí)行。

為實(shí)現(xiàn)以上目標(biāo)，關(guān)鍵在于兩點(diǎn)：1) 不手動創(chuàng)建額外的線程；2) 已創(chuàng)建的線程不應(yīng)該被阻塞以便更好地復(fù)用。

2.1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

在某測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，程序應(yīng)用劃分為多個(gè)模塊，其硬件結(jié)構(gòu)與軟件框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

圖中每個(gè)實(shí)線矩形框表示一個(gè)軟件模塊和功能。為達(dá)到最佳應(yīng)用效果，各軟件模塊通常需要同時(shí)工作，程序應(yīng)運(yùn)行在多線程模式。本文以下內(nèi)容將著重介紹各個(gè)模塊并發(fā)狀態(tài)下的應(yīng)用技術(shù)與實(shí)現(xiàn)方法。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)對于測控系統(tǒng)至關(guān)重要。通常而言，被測物理量(信號)通過傳感器采集，并在采集設(shè)備中對信號進(jìn)行處理(硬件濾波、數(shù)模轉(zhuǎn)換等)；計(jì)算機(jī)通過軟件驅(qū)動采集設(shè)備，獲取信號進(jìn)行再次加工(如軟件濾波、數(shù)值轉(zhuǎn)換)，得到控制信號后輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)或視圖界面，完成對系統(tǒng)的控制或展現(xiàn)給用戶。

為保證控制系統(tǒng)的有效可靠，必然要求采集模塊具有較高的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。通過任務(wù)和異步，能夠保證計(jì)算機(jī)在調(diào)度采集設(shè)備的同時(shí)，并行執(zhí)行其他的業(yè)務(wù)邏輯。

首先，對采集設(shè)備API進(jìn)行包裝，如：

public class SomeDevice {

SemaphoreSlim slim=new SemaphoreSlim(1,1);

…

public async Task> GetAcquisitionAsync(object c){

return await Task.Run( async () => {

...

await slim.WaitAsync();

...//讀取數(shù)據(jù)

slim.Release();

return datas;//返回?cái)?shù)據(jù)

})；

}

}

代碼中使用了SemaphoreSlim類型的一個(gè)信號量對象來實(shí)現(xiàn)資源同步，這是目前.Net平臺中唯一支持異步訪問的同步構(gòu)造。當(dāng)SemaphoreSlim最大計(jì)數(shù)為1時(shí)，可對其保護(hù)的資源進(jìn)行互斥訪問。在應(yīng)用程序的其他業(yè)務(wù)中，使用如下方式來得到采集數(shù)據(jù)：

vardevice = new SomeDevice();

var datas = await device.GetAcquisitionAsync(null);

當(dāng)程序主線程執(zhí)行方法遇到await關(guān)鍵字后，會啟動另一個(gè)線程池線程執(zhí)行await后所帶的異步方法，而主線程無需阻塞，直接返回以執(zhí)行其它工作。當(dāng)異步方法結(jié)束，若之后還有操作，將會被包裝為一個(gè)Task返回至主線程的任務(wù)隊(duì)列，并通知主線程盡快執(zhí)行，主線程會在合適的時(shí)間對后續(xù)Task進(jìn)行調(diào)度。

2.3 I/O操作模塊

目前大多數(shù)的計(jì)算機(jī)與IO設(shè)備都能夠通過DMA(direct memory access，直接內(nèi)存存取)的方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，此時(shí)不需要消耗CPU資源，硬件會自動進(jìn)行讀寫數(shù)據(jù)并與內(nèi)存交換[7]。然而，若使用同步I/O，CPU通知硬件設(shè)備后，線程將會阻塞，直到硬件設(shè)備完成I/O操作，Windows再喚醒線程調(diào)度給CPU繼續(xù)執(zhí)行。在這個(gè)過程中線程處于休眠狀態(tài)，若程序想完成其他工作，需要創(chuàng)建新的線程。當(dāng)休眠狀態(tài)被喚醒后，因?yàn)榧尤肓诵戮€程，運(yùn)行線程數(shù)量可能已超過最合適的值，計(jì)算機(jī)將會執(zhí)行的線程時(shí)間片切換，造成巨大的性能損耗。

使用異步操作可避免以上情況。在.Net常用的IO操作，如文件讀取、寫入，Stream的應(yīng)用，數(shù)據(jù)庫Command的執(zhí)行中，有些已經(jīng)提供了異步方法，有些則提供了早期版本的BeginXxx/EndXxx方法與IAsyncResult接口，需要使用以下方式進(jìn)行包裝：

var io = new IODevice(...)；

await Task.Factory.FromAsync(io.BeginXxx, io.EndXxx)；

對于未提供異步方法的IO操作，可手動進(jìn)行包裝。以下代碼提供了序列化操作的異步接口與序列化到xml文件的實(shí)現(xiàn)：

public interface IAsyncSerializer{ Task WriteAsync(string path, T obj);}

public class XmlSerializer : IAsyncSerializer{

...

public async Task WriteAsync(string path, T obj){

return await Task.Run(()=>{

using(var stream = File.Open(path, FileMode.OpenOrCreate)){

var serializer = new XmlSerializer(obj.GetType());

serializer.Serialize(stream, obj);

}

});

}

}

2.4 UI操作與業(yè)務(wù)邏輯

隨著測控系統(tǒng)軟件綜合化程度的提高，與操作者的交互頻率也將不可避免地增加。通常GUI框架(如MFC、WinForm、WPF等)的控件與創(chuàng)建者線程具有“線程相關(guān)性”，其他線程永遠(yuǎn)無法直接訪問用戶界面控件，這為基于多線程的GUI應(yīng)用程序帶來了困擾。通過異步的方式能夠解決該問題，并進(jìn)一步提高程序的響應(yīng)能力。

可直接將異步操作注冊到控件(如Button)的事件中，如：

CancellationTokenSource ctSource;

private async void ButtonStartClick(object sender, EventArgs e){

var model = new Experiment();

this.textBox.Text = await model.Execute(ctSource.Token);

}

private void ButtonStopClick(object sender, EventArgs e){

ctSource.Cancel();

}

在代碼中，Execute是一個(gè)返回Task的異步方法，它將在另一個(gè)線程池線程中執(zhí)行。執(zhí)行結(jié)束后，它將返回調(diào)用者線程(在此處是UI線程)繼續(xù)后面的工作，即textBox控件Text屬性的賦值過程在UI線程中執(zhí)行。同時(shí)，注意代碼中Text的新值被聲明為Execute的返回值，從而使得UI與線程池線程不再共享數(shù)據(jù)，起到可變量隔離作用，以避免執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)同步過程和帶來的性能損失。

并且異步調(diào)用在Execute執(zhí)行的同時(shí)，UI線程能夠響應(yīng)用戶的其他操作，不至于卡頓。此外，代碼在UI線程中聲明了CancellationTokenSource對象，它的Token屬性將被傳到Execute方法中。若Execute是一個(gè)費(fèi)時(shí)的操作，用戶可操作CancellationTokenSource(如這里的點(diǎn)擊Stop按鈕)取消Execute的執(zhí)行。任務(wù)將在一個(gè)安全的、可控制的位置停止，這是開發(fā)者可以操控的。此時(shí)Execute大致的結(jié)構(gòu)將如下：

public async Task Execute(CancellationToken token){

return await Task.Run(()=>{

int totalTimes=10000;

for(int times = 0;times

...//其他操作

token.ThrowIfCancellationRequest();//拋出異常以停止

}

return "Completed";

},token)；

}

2.5 數(shù)據(jù)處理

測控系統(tǒng)通常包含大量的數(shù)據(jù)處理，包括濾波、數(shù)值轉(zhuǎn)換、計(jì)算結(jié)果、圖形圖像處理等。這些過程通常為CPU密集型操作，創(chuàng)建多于CPU內(nèi)核數(shù)的線程將嚴(yán)重影響計(jì)算機(jī)性能。使用TPL中Parallel的For、ForEach方法，開發(fā)者將復(fù)雜的線程調(diào)度過程委托給操作系統(tǒng)執(zhí)行，能夠更關(guān)注于應(yīng)用邏輯并提升并行性能。

IEnumerable datas = await acquirer.GetAcquisitionAsync();

object lockObject = new object();

double result = 0;

Parallel.ForEach(data, () => 0, (item, state, returnValue) => ExecuteCompute(item), returnValue =>{Monitor.Enter(lockObject);

result += returnValue;

Monitor.Exit(lockObject);

});

以上代碼對集合datas中的每一項(xiàng)都進(jìn)行ExecuteCompute運(yùn)算，再將運(yùn)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)至局部變量result中。其中，每一小塊都被劃分為一個(gè)任務(wù)，被動態(tài)分配到空閑線程的任務(wù)隊(duì)列中以并行方式執(zhí)行，而操作系統(tǒng)則會根據(jù)硬件特性委派給不同的CPU，并根據(jù)當(dāng)前任務(wù)與線程數(shù)量決定是否增加新的線程。

任何一項(xiàng)任務(wù)完成后，將會繼續(xù)執(zhí)行求和操作，涉及到的result是一個(gè)共享變量，需要進(jìn)行同步。此處使用Monitor構(gòu)造能得到較好性能。

3 結(jié)語

本文利用.Net Framework下的現(xiàn)代并發(fā)編程API，實(shí)現(xiàn)了某測控系統(tǒng)中軟件重要模塊的編寫。其中，異步方式有利于構(gòu)建IO設(shè)備模塊和實(shí)現(xiàn)反應(yīng)迅速的GUI交互界面；而并行則適用于需要CPU執(zhí)行的計(jì)算密集性操作，以保證充分利用當(dāng)代多核多處理器的硬件性能。以上技術(shù)的實(shí)現(xiàn)為構(gòu)造一個(gè)性能良好、可伸縮、響應(yīng)靈敏的應(yīng)用程序奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。