基于共享內(nèi)存的測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)進(jìn)程數(shù)據(jù)同步技術(shù)研究

李 強(qiáng) 涂二看見(jiàn) 張 明

(中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心 陜西 華陰 714200)

0 引 言

測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)能將測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集并進(jìn)行顯示，對(duì)于指揮員掌握試驗(yàn)整體態(tài)勢(shì)、了解試驗(yàn)進(jìn)程、輔助進(jìn)行決策分析具有重要的作用。指揮員在進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)評(píng)估分析或者對(duì)試驗(yàn)的關(guān)鍵進(jìn)程進(jìn)行決策時(shí)，需要測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)將試驗(yàn)中能反映出試驗(yàn)總體進(jìn)程的態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)、關(guān)鍵設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)視視頻、指令進(jìn)程數(shù)據(jù)、調(diào)度語(yǔ)音、氣象數(shù)據(jù)、電磁環(huán)境參數(shù)、靶標(biāo)毀傷數(shù)據(jù)等進(jìn)行匯集并同步顯示，這就要求測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)的各個(gè)構(gòu)件之間數(shù)據(jù)的高度協(xié)調(diào)和同步。測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，按照“一體化”軟件集成的思想，將通用服務(wù)、數(shù)據(jù)接口以及顯示框架以構(gòu)件方式進(jìn)行劃分，便于后期功能拓展。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，終端上部署的通用服務(wù)、數(shù)據(jù)接口以及不同的顯示構(gòu)件間需要保持?jǐn)?shù)據(jù)的一致性，使得呈現(xiàn)在指揮員面前的各類(lèi)原始數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)、態(tài)勢(shì)曲線分析圖表等保持同步。本文主要針對(duì)測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)多個(gè)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)同步問(wèn)題進(jìn)行分析，并提出解決的思路。

1 進(jìn)程間數(shù)據(jù)同步的主要方式

進(jìn)程間的數(shù)據(jù)同步通?？梢圆捎霉艿馈⑻捉幼?、共享內(nèi)存等機(jī)制[1]。管道是一種通過(guò)具有兩個(gè)端點(diǎn)的固定緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的方式，它采用的是類(lèi)似于通信中半雙工信道的進(jìn)程通信機(jī)制，一個(gè)管道可以實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，而同一個(gè)時(shí)刻只能最多有一個(gè)方向的傳輸，管道提供了一種進(jìn)程間簡(jiǎn)單的消息同步方式，管道中的數(shù)據(jù)通常是以FIFO方式保存，在管道的兩端，進(jìn)程一邊寫(xiě)入數(shù)據(jù)，另一邊則讀取數(shù)據(jù)[2]。共享內(nèi)存則是將某一段內(nèi)存空間通過(guò)映射的方式投影在多個(gè)用戶進(jìn)程空間，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)共享，是進(jìn)程間進(jìn)行通信最快捷的方式。使用共享內(nèi)存技術(shù)，不同進(jìn)程可以同時(shí)訪問(wèn)相同的內(nèi)存區(qū)域，能夠通過(guò)共享它們地址空間的若干部分，對(duì)存儲(chǔ)在共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫(xiě)，從而實(shí)現(xiàn)彼此直接通信[3]。采用共享內(nèi)存方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，為避免訪問(wèn)中出現(xiàn)的同步和互斥問(wèn)題，需要通過(guò)信號(hào)量的方式進(jìn)行進(jìn)程間的同步和協(xié)調(diào)操作。套接字則是通過(guò)操作系統(tǒng)為用戶進(jìn)程通信提供一種抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行用戶進(jìn)程間的網(wǎng)絡(luò)通信和連接的一種方式[3]。套接字實(shí)際上是提供進(jìn)程通信的端點(diǎn)，通過(guò)此端點(diǎn)完成數(shù)據(jù)傳遞。文獻(xiàn)[4]對(duì)進(jìn)程間的數(shù)據(jù)同步方式進(jìn)行了測(cè)試分析，結(jié)果表明使用管道的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)同步，其數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間基本固定，不隨數(shù)據(jù)報(bào)文大小的變化而變化(其傳輸時(shí)間基本由管道建立的時(shí)間決定)，而采用共享內(nèi)存和套接字的方式其數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間都隨傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文大小的增加而增加。因此，當(dāng)傳輸較大數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，采用管道方法比較理想；而在傳輸較小的數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，共享內(nèi)存方式優(yōu)勢(shì)就比較明顯。從文獻(xiàn)中的測(cè)試數(shù)據(jù)情況來(lái)看，在傳輸數(shù)據(jù)報(bào)文小于10 KB時(shí)，采用共享內(nèi)存方式性能最優(yōu)。進(jìn)程通信性能測(cè)試比較結(jié)果如圖1所示。

圖1 進(jìn)程通信性能測(cè)試比較

本文研究的測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)包括態(tài)勢(shì)綜合顯示、態(tài)勢(shì)管理和綜合數(shù)據(jù)采集服務(wù)三大部分。在網(wǎng)絡(luò)上部署系統(tǒng)時(shí)，通常在一臺(tái)終端上部署態(tài)勢(shì)管理和綜合數(shù)據(jù)采集服務(wù)，在另外多個(gè)終端上部署態(tài)勢(shì)綜合顯示。為保證多個(gè)終端與態(tài)勢(shì)管理之間數(shù)據(jù)顯示的一致性，通常需要各終端之間快速的數(shù)據(jù)同步。同步的數(shù)據(jù)包括各類(lèi)測(cè)試數(shù)據(jù)、地圖顯示參數(shù)、編組信息、錄入?yún)?shù)、統(tǒng)計(jì)結(jié)果、標(biāo)繪信息、操作指令等。按照測(cè)試顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互協(xié)議，目前接收的測(cè)試數(shù)據(jù)為固定字長(zhǎng)78 B，編組信息、地圖顯示參數(shù)、統(tǒng)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)其數(shù)據(jù)包均小于10 KB，因此按照上文進(jìn)程通信性能測(cè)試的結(jié)果，測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)最終采用共享內(nèi)存方式實(shí)現(xiàn)多進(jìn)程間的數(shù)據(jù)同步。

2 基于多環(huán)形隊(duì)列的共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步機(jī)制

2.1 共享內(nèi)存的一般模型

共享內(nèi)存方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間數(shù)據(jù)同步可以用圖2進(jìn)行描述。按照共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)寫(xiě)入或讀取方式，將用戶進(jìn)程分為客戶端和服務(wù)端?？蛻舳俗x取數(shù)據(jù)和服務(wù)端寫(xiě)入數(shù)據(jù)。服務(wù)器端寫(xiě)入數(shù)據(jù)時(shí)(圖中用進(jìn)程A表示)首先建立共享內(nèi)存，然后可以往共享內(nèi)存中寫(xiě)入數(shù)據(jù)，并將內(nèi)存區(qū)映射成可以被多個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)的共享內(nèi)存；客戶端讀取數(shù)據(jù)時(shí)(圖中用進(jìn)程B表示)首先獲得共享內(nèi)存的地址，然后通過(guò)地址映射，就可以從中讀出數(shù)據(jù)。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了單項(xiàng)鏈表的共享內(nèi)存方式進(jìn)行進(jìn)程同步測(cè)試，其數(shù)據(jù)同步帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)同步的需求。

圖2 共享內(nèi)存通信一般模型

然而，測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步涉及多個(gè)進(jìn)程，因此在設(shè)計(jì)共享內(nèi)存時(shí)，需要為每個(gè)進(jìn)程分別建立一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。由于各進(jìn)程內(nèi)部處理數(shù)據(jù)的速率并不一樣，處理每一批數(shù)據(jù)所消耗時(shí)間也就不相同，當(dāng)這種差別較大時(shí)，就會(huì)造成相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)阻塞，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的性能產(chǎn)生影響，特別是在數(shù)據(jù)長(zhǎng)度比較大時(shí)，需要引入信號(hào)量來(lái)協(xié)調(diào)對(duì)共享內(nèi)存段的訪問(wèn)，這會(huì)增加較多的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)。因此在共享內(nèi)存需求不斷增大時(shí)，需要采用一定的方式對(duì)共享內(nèi)存數(shù)據(jù)同步方式進(jìn)行優(yōu)化，以消除共享內(nèi)存增長(zhǎng)引入信號(hào)量帶來(lái)的性能影響。

針對(duì)上述不足，本文提出一種基于多環(huán)形隊(duì)列的共享內(nèi)存異步傳輸同步機(jī)制，將數(shù)據(jù)讀寫(xiě)分別用多個(gè)環(huán)形隊(duì)列進(jìn)行調(diào)度，很好地解決共享內(nèi)存段讀寫(xiě)互斥操作帶來(lái)的信號(hào)量開(kāi)銷(xiāo)問(wèn)題，同時(shí)降低收發(fā)進(jìn)程構(gòu)件的耦合度，提高系統(tǒng)整體性能。

2.2 設(shè)計(jì)思路

多環(huán)形隊(duì)列共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步模型如圖3所示。

圖3 多環(huán)形隊(duì)列共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步模型

在多環(huán)形隊(duì)列共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步機(jī)制中，系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步的共享內(nèi)存區(qū)分成兩部分：管理控制塊和數(shù)據(jù)區(qū)。管理控制塊由管理控制信息、多個(gè)寫(xiě)隊(duì)列環(huán)、多個(gè)讀隊(duì)列環(huán)組成，管理控制信息保存各寫(xiě)隊(duì)列環(huán)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)大小，各寫(xiě)隊(duì)列環(huán)寫(xiě)入數(shù)據(jù)索引和讀取狀態(tài)標(biāo)志等。寫(xiě)隊(duì)列環(huán)保存的是一組空閑數(shù)據(jù)內(nèi)存塊的索引；讀隊(duì)列環(huán)保存的則是已經(jīng)讀取到顯示構(gòu)件中的數(shù)據(jù)內(nèi)存塊索引。

系統(tǒng)工作時(shí)，首先申請(qǐng)一塊內(nèi)存區(qū)域作為共享內(nèi)存緩沖池，并根據(jù)接入數(shù)據(jù)的種類(lèi)和顯示構(gòu)件多少生成相應(yīng)數(shù)量的寫(xiě)隊(duì)列環(huán)和讀隊(duì)列環(huán)，同時(shí)系統(tǒng)為各寫(xiě)隊(duì)列環(huán)分配不同大小的空閑數(shù)據(jù)塊?？臻e數(shù)據(jù)塊的大小和對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)類(lèi)型有關(guān)，為了節(jié)省系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)，空閑數(shù)據(jù)塊大小固定。

數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)類(lèi)型，查找相應(yīng)的寫(xiě)隊(duì)列環(huán)，并在這個(gè)寫(xiě)隊(duì)列環(huán)上獲取到一個(gè)空閑數(shù)據(jù)塊索引，并將數(shù)據(jù)拷貝到該數(shù)據(jù)塊中，并更新管理控制數(shù)據(jù)塊中對(duì)應(yīng)的寫(xiě)入隊(duì)列的寫(xiě)入索引。數(shù)據(jù)讀取時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)管理控制數(shù)據(jù)塊中的標(biāo)志位，將寫(xiě)入塊索引放至讀取環(huán)的末尾，只有所有讀取環(huán)都寫(xiě)入該索引后，管理控制數(shù)據(jù)塊中的標(biāo)志位才重新復(fù)位，并更新對(duì)應(yīng)的寫(xiě)隊(duì)列環(huán)中數(shù)據(jù)索引。通過(guò)對(duì)讀寫(xiě)環(huán)形隊(duì)列的不間斷交替操作,極大地弱化了共享內(nèi)存空間物理結(jié)構(gòu)帶來(lái)的影響，從而實(shí)現(xiàn)了收發(fā)雙方數(shù)據(jù)的異步傳輸，降低了模塊間的耦合度。采用這種共享內(nèi)存動(dòng)態(tài)管理的模式可以極大地提高內(nèi)存的利用效率，并且使用多個(gè)讀寫(xiě)隊(duì)列環(huán)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步還可以避免多個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)調(diào)度帶來(lái)的性能影響。

3 方法設(shè)計(jì)

3.1 測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)構(gòu)成

測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)各顯示終端與系統(tǒng)管理端的主從控制模式，設(shè)計(jì)了基于多環(huán)形隊(duì)列的共享內(nèi)存和多進(jìn)程協(xié)作機(jī)制，通過(guò)終端系統(tǒng)軟件的進(jìn)程管理對(duì)共享內(nèi)存中的資源以及進(jìn)行資源請(qǐng)求的事件進(jìn)行統(tǒng)一管理。每個(gè)終端軟件都有共享內(nèi)存管理進(jìn)程，可以對(duì)資源池中的共享內(nèi)存塊進(jìn)行調(diào)度管理，將人員編組、地圖標(biāo)繪、控制指令、態(tài)勢(shì)信息等按相應(yīng)的數(shù)據(jù)包大小構(gòu)建寫(xiě)隊(duì)列環(huán)。讀隊(duì)列環(huán)則按照終端系統(tǒng)軟件部署的顯示構(gòu)件進(jìn)行分配。調(diào)度管理進(jìn)程通過(guò)共享內(nèi)存資源池中定義的管理控制信息對(duì)讀寫(xiě)進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度管理。每個(gè)終端軟件上還需要部署數(shù)據(jù)收發(fā)進(jìn)程，在系統(tǒng)進(jìn)程管理下實(shí)時(shí)對(duì)系統(tǒng)端的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步操作，及時(shí)更新資源池中的數(shù)據(jù)，使各終端數(shù)據(jù)與系統(tǒng)管理端保持同步。測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 讀寫(xiě)數(shù)據(jù)同步的工作流程

系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)同步機(jī)制設(shè)計(jì)時(shí)，在共享內(nèi)存空間內(nèi)需要根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的類(lèi)型創(chuàng)建不同的寫(xiě)隊(duì)列環(huán),包括人員編組、地圖標(biāo)繪、控制指令、態(tài)勢(shì)信息等。發(fā)送進(jìn)程訪問(wèn)管理控制塊中相應(yīng)的寫(xiě)隊(duì)列環(huán)，如果隊(duì)列環(huán)不為空，則執(zhí)行出隊(duì)操作，將寫(xiě)隊(duì)列環(huán)head指針指向的空閑數(shù)據(jù)塊初始化，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝操作，同時(shí)將指向該數(shù)據(jù)塊的索引寫(xiě)入管理控制塊的管理控制信息中，并通過(guò)該共享內(nèi)存塊結(jié)構(gòu)體內(nèi)的條件變量，向管理進(jìn)程發(fā)布數(shù)據(jù)更新事件消息。所有的顯示構(gòu)件(接收方)在收到事件消息提醒后，遍歷對(duì)應(yīng)的讀隊(duì)列環(huán)，獲取head索引指向的數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)體中的計(jì)算器增加1，若判斷計(jì)算器的數(shù)量等于寫(xiě)隊(duì)列環(huán)的數(shù)量，則判斷所有接收進(jìn)程都已經(jīng)完成數(shù)據(jù)的讀取操作，并更新管理控制信息相應(yīng)寫(xiě)隊(duì)列環(huán)索引的標(biāo)志位。終端進(jìn)程發(fā)送接收流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步工作流程

4 系統(tǒng)性能分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)采用多環(huán)形隊(duì)列共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步方式的實(shí)際性能是否滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，采用VC++9.0編寫(xiě)模擬數(shù)據(jù)發(fā)送軟件(軟件界面如圖6所示)，對(duì)測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取、顯示進(jìn)行比較測(cè)試。測(cè)試環(huán)境為：主機(jī)：CPU i7-6700內(nèi)存8 GB；網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：百兆局域網(wǎng)。測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)終端顯示軟件如圖7所示。

圖6 模擬數(shù)據(jù)發(fā)送軟件界面

圖7 測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)終端軟件界面

4.1 數(shù)據(jù)傳輸延遲測(cè)試

為了測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸延遲，模擬數(shù)據(jù)發(fā)送軟件以固定頻率向系統(tǒng)管理終端發(fā)送一定大小的數(shù)據(jù),需要從管理端同步數(shù)據(jù)的顯示端數(shù)量從1增加到4。利用數(shù)據(jù)發(fā)送和顯示端接收的時(shí)間差計(jì)算傳輸?shù)难舆t。在本實(shí)驗(yàn)中,發(fā)送方每秒分別發(fā)送500、1 000、1 500、2 000、2 500個(gè)固定大小的數(shù)據(jù)包，計(jì)算各自的平均數(shù)據(jù)傳輸延遲，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示?？梢?jiàn)，多環(huán)形隊(duì)列共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步，數(shù)據(jù)傳輸延遲均隨著傳輸數(shù)據(jù)大小及接收方數(shù)量的增加而緩慢增加，但受同步終端數(shù)量影響不明顯。

圖8 數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

4.2 最大吞吐量測(cè)試

測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)接收外部數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)包最大不超過(guò)5 KB，因此，在進(jìn)行系統(tǒng)最大吞吐量測(cè)試時(shí)，模擬數(shù)據(jù)發(fā)送端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小固定為5 KB。發(fā)送方總計(jì)發(fā)送10 000個(gè)數(shù)據(jù)包，測(cè)試在不同發(fā)送頻率下的帶寬。帶寬的計(jì)算方式為：帶寬=數(shù)據(jù)包數(shù)量×5KB/時(shí)間，其中帶寬、數(shù)據(jù)包、時(shí)間均按發(fā)送和接收分別計(jì)算。最大吞吐量則為其不丟包時(shí)的最大帶寬。數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)測(cè)試結(jié)果

進(jìn)程間交換數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方法是在共享內(nèi)存中開(kāi)辟數(shù)組，系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換性能在數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)一定范圍內(nèi)是基本穩(wěn)定的，但在數(shù)據(jù)超過(guò)共享內(nèi)存空間時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間會(huì)產(chǎn)生比較大的性能滑坡。采用多環(huán)形隊(duì)列共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步對(duì)共享空間訪問(wèn)進(jìn)行優(yōu)化，可以顯著提升系統(tǒng)性能，其傳輸延遲和吞吐量受客戶端數(shù)量影響不大。

5 結(jié) 語(yǔ)

測(cè)試指揮顯示系統(tǒng)將試驗(yàn)中的態(tài)勢(shì)數(shù)據(jù)、關(guān)鍵設(shè)備測(cè)試數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)視視頻、指令進(jìn)程數(shù)據(jù)、調(diào)度語(yǔ)音、氣象數(shù)據(jù)、電磁環(huán)境參數(shù)、靶標(biāo)毀傷數(shù)據(jù)，以及各類(lèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行綜合顯示，是試驗(yàn)指揮決策的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。系統(tǒng)進(jìn)程間數(shù)據(jù)的同步效率，直接影響其效能的發(fā)揮。本文針對(duì)較大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)同步問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于多環(huán)形隊(duì)列共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步方法，替代傳統(tǒng)的內(nèi)存數(shù)組的共享方式，很好地解決了大數(shù)據(jù)量匯集時(shí)共享內(nèi)存數(shù)據(jù)同步效率降低的問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性和可靠性，也為設(shè)計(jì)需要匯集較大數(shù)據(jù)量，且有多個(gè)進(jìn)程進(jìn)行數(shù)據(jù)同步協(xié)同工作類(lèi)似指揮顯示系統(tǒng)軟件提供很好的解決思路。