基于多線程技術(shù)VisualC++實現(xiàn)工控系統(tǒng)的設(shè)計

多線程技術(shù)的引入，不僅可以挖掘潛在的CPU空閑時間，而且還可以提高應(yīng)用程序的反應(yīng)速度，其優(yōu)點在有多個任務(wù)需要完成、有巨大數(shù)據(jù)流量的程序中反映得尤為明顯。而隨著VisualC++的引入，其靈活的線程實現(xiàn)機(jī)制使得程序員從繁瑣的Windows編程中解脫出來。關(guān)于多線程基本機(jī)理和實現(xiàn)方法近年來有許多文章介紹，這里不再贅述。本文將側(cè)重于比較在工控程序中采用各種線程類型和同步方法的優(yōu)劣，并給出一個實用的、有較廣適應(yīng)性的程序主體框架。

1 各種線程類型和同步方法

1.1 線程類型

Visual C++中線程分為工作者線程（Worker Thread）和用戶界面線程（User Interface Thread）兩大類。

用戶界面線程的特點是擁有單獨的消息隊列，可以具有自己的窗口界面，能夠?qū)κ录陀脩糨斎胱龀鲰憫?yīng)，具體實現(xiàn)時由CWinThread派生出一個類。但其缺點是當(dāng)需要停止或撤銷當(dāng)前正在運行的線程而向其發(fā)送中止消息后，只有在消息隊列中排在前面的消息被一一處理完之后，線程才能接受中止消息并停止當(dāng)前工作，這對CPU是一種浪費，在對實時性要求較高的工控程序中是不可容忍的。

工作者線程適用于處理后臺任務(wù)，而不影響用戶對應(yīng)用程序的使用。工作者線程僅僅由一個函數(shù)體實現(xiàn)，其實現(xiàn)簡單，便于編程者控制，與事件同步方法相配合能對中止消息做出較快反應(yīng)。

1.2 同步方法

在多線程應(yīng)用程序中，兩個或更多的線程同時訪問相同數(shù)據(jù)會導(dǎo)致不可預(yù)知的結(jié)果，因此保持線程間的同步是一個不可或缺的環(huán)節(jié)。VisualC++提供了四種同步方法：臨界區(qū)（Critical Section）、信號燈（Semaphore）、互斥量（Mutex）和事件（Event）。

其中采用臨界區(qū)、信號燈或互斥量進(jìn)行同步時，線程間的同步過程由操作系統(tǒng)完全控制，系統(tǒng)僅僅防止多個線程對同一資源的同時使用，而相同優(yōu)先級的線程對同一資源的使用順序是編程者無法控制的。而在一般工控系統(tǒng)中，當(dāng)主控臺下方設(shè)備數(shù)據(jù)變化時，應(yīng)能及時中止當(dāng)前的計算（如果當(dāng)前計算未完成的話）并根據(jù)新的數(shù)據(jù)開始新一輪的計算，因而要求各線程對所處理的數(shù)據(jù)有一定的操作次序。

事件同步是通過將事件自身設(shè)置為有信號或無信號來通知其它線程某一操作已完成或尚未完成，其設(shè)置可由編程人員手工完成，適合于工控程序應(yīng)用。盡管事件同步方式平均效率比上面三種方式稍低，但在工控程序應(yīng)用中相對于因數(shù)據(jù)未能及時更新而導(dǎo)致大量的無用計算及其對實時性的損害來講，還是非常值得的。

下面介紹的是參與某‘九五’預(yù)研項目中所設(shè)計的主控臺程序的基本框架，這個程序框架應(yīng)能適用于大多數(shù)工控系統(tǒng)的主控程序。

2 軟件框架

一般工控系統(tǒng)的主控部分通常所必須完成的兩件事是

1）通過通信端口與下端設(shè)備通信，接收下端設(shè)備傳來的數(shù)據(jù)或向下端設(shè)備發(fā)送指令;（2）對下端設(shè)備所傳數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

與之相對應(yīng)，該軟件具有一個主線程和兩個子線程，其中一個子線程為通信線程，另一個為計算線程。主線程是Windows下每個應(yīng)用程序都具備的，負(fù)責(zé)線程間的同步、向計算線程和通信線程傳遞參數(shù)、管理人機(jī)界面、接收用戶輸入、數(shù)據(jù)庫的操作和管理等功能。通信線程通過通信端口（可以是串口、并口或網(wǎng)絡(luò)接口等）負(fù)責(zé)與下端的設(shè)備進(jìn)行通信并交換數(shù)據(jù)，當(dāng)存在多級控制結(jié)構(gòu)時，還可用來與更高一級的控制設(shè)備進(jìn)行通信并向上傳遞數(shù)據(jù)。計算線程負(fù)責(zé)核心算法的實現(xiàn)，根據(jù)系統(tǒng)的不同完成不同的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。程序結(jié)構(gòu)如圖1。

進(jìn)程開始后先由主線程建立通信線程與計算線程。通信線程監(jiān)視通信端口，當(dāng)下方設(shè)備發(fā)來數(shù)據(jù)時，就向主線程發(fā)送自定義的WM_USER_COMM_NOTIFY消息，通知主線程計算數(shù)據(jù)有所改變，主線程則對之進(jìn)行處理，即中止當(dāng)前的計算，并重新開始計算。

3 具體實現(xiàn)

用Visual C++的AppWizard生成一個應(yīng)用程序，這是主控程序的雛形，該應(yīng)用程序暫取名為CtrSys，后面程序名都以此為準(zhǔn)。

3.1 多線程的定義及生成

3.1.1 多線程的定義

向項目中加入threads.cpp文件，在該文件中寫入通信線程和計算線程的控制函數(shù)。

控制函數(shù)有下面的原型：

UINT MyThreadProc（LPVOID lpvThreadParam）；

lpvThreadParam參數(shù)是32位的值，這個值就是在線程對象產(chǎn)生時傳遞給線程構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)。控制函數(shù)能解釋此值的不同表現(xiàn)方式。它可以被當(dāng)作一個普通變量對待，也可以被視為一個指向包含有多個參數(shù)的結(jié)構(gòu)指針，也可以被忽略。如果參數(shù)指向一個結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)可能不僅僅用來從調(diào)用者傳遞參數(shù)給線程，還可能用來從線程回傳數(shù)據(jù)給調(diào)用者。如果使用這樣的結(jié)構(gòu)回傳給調(diào)用者，結(jié)果準(zhǔn)備好后線程需要通知調(diào)用者。

控制函數(shù)終止時，應(yīng)該返回一個UINT類型的值，表明終止的原因。返回碼0表示成功，其它值表示不同類型的錯誤，這完全依賴實現(xiàn)情況。

按一般程序示例，線程通常在視類或框架窗口類中產(chǎn)生。但在工控程序中，通信與計算線程常常要大量地對計算數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，根據(jù)文檔/視的程序框架結(jié)構(gòu)，文檔類常常用來存儲所要處理的數(shù)據(jù)。因此把計算與通信線程放在文檔類中產(chǎn)生，并把產(chǎn)生線程的當(dāng)前文檔對象的指針作為線程控制函數(shù)的參數(shù)傳遞給線程。

從而，在控制函數(shù)（CalcThreadProc （）和CommThreadProc（））一開始，就要對所傳來的參數(shù)進(jìn)行識別：

CCtrsysDoc* pDoc = （CCtrsysDoc*）pParam；

注意要在文件開頭包括進(jìn)文檔類的頭文件

#include ″CtrsysDoc.h″

3.1.2 多線程的產(chǎn)生

在文檔類的構(gòu)造函數(shù)中產(chǎn)生線程。程序啟動時生成文檔對象，同時啟動兩個線程。

////////////////////////////////////

// CCtrsysDoc construction/destruction

CCtrsysDoc：：CCtrsysDoc（）

{

……

m_pCalcThread=AfxBeginThread（CalcThreadProc， this）；

m_pCommThread=AfxBeginThread（CommThreadProc， this）；

}

注意不要用Win32的CreateThread（）建立線程，而應(yīng)該用AfxBeginThread（）函數(shù)，否則所建立的線程不能訪問其它MFC對象。

3.2 線程間的同步

程序中設(shè)置有八個事件用于線程同步：

HANDLE m_hEventPost； //用來允許通信線程向主框架

發(fā)送WM_USER_COMM_NOTIFY消息

HANDLE m_hEventStartCalc； //主框架通知計算線程開始計算

HANDLE m_hEventCalcStarted； //計算線程通知主框架計算已經(jīng)開始

HANDLE m_hEventStopCalc； //主框架通知計算線程中止計算

HANDLE m_hEventCalcStopped； //計算線程通知主框架計算已經(jīng)中止

HANDLE m_hEventCalcDone； //計算線程通知主框架計算已經(jīng)結(jié)束

HANDLE m_hEventUpdateSourceData； //主框架通知計算線程更新數(shù)據(jù)

HANDLE m_hEventSourceDataUpdated； //通信線程通知主框架數(shù)據(jù)已更新完畢

這八個事件是主線程和兩個子線程之間同步所必需的，讀者可根據(jù)自己程序的需要另行添加。

因各線程都以文檔對象指針為參數(shù)，這些事件都在文檔類頭文件中定義，這些事件在文檔類的構(gòu)造函數(shù)中生成并賦初值。

CCtrsysDoc：：CCtrsysDoc（）

{

……

m_hEventPost=CreateEvent（NULL，TRUE，TRUE， NULL）；

m_hEventCalcDone=CreateEvent（NULL，TRUE，F(xiàn)ALSE， NULL）；

m_hEventCalcStarted=CreateEvent（NULL，TRUE，F(xiàn)ALSE，NULL）；

m_hEventStartCalc=CreateEvent（NULL， TRUE，F(xiàn)ALSE， NULL）；

m_hEventSourceDataUpdated=CreateEvent（NULL，TRUE，F(xiàn)ALSE， NULL）；

m_hEventUpdateSourceData=CreateEvent（NULL，TRUE，F(xiàn)ALSE， NULL）；

m_hEventCalcStopped=CreateEvent（NULL，TRUE，F(xiàn)ALSE， NULL）；

m_hEventStopCalc=CreateEvent（NULL， TRUE，F(xiàn)ALSE， NULL）；

……

}

線程的同步工作主要在主框架CMainFrame類的WM_USER_COMM_NOTIFY消息響應(yīng)函數(shù)OnCommNotify中進(jìn)行。當(dāng)下方通信設(shè)備參數(shù)改變時，通信線程發(fā)送給CMainFrame類一個WM_USER_COMM_NOTIFY消息。CMainFrame類接收到消息后，在消息響應(yīng)函數(shù)OnCommNotify中終止計算線程的當(dāng)前計算，計算成功終止后由通信線程更新計算所需的數(shù)據(jù)源，待更新完畢后，重新開始計算。線程同步部分流程如圖2。

3.3 通信線程

通信線程部分流程如圖3所示。

3.4 計算線程

編程者應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理過程，在運算量較大或循環(huán)次數(shù)較多的地方設(shè)置對m_hEventStopCalc事件的查詢。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生更新時，使用其它線程類型和同步方法往往必須等到數(shù)據(jù)處理部分結(jié)束，這樣整個一次數(shù)據(jù)處理都是無用計算;而采用上述方法，因數(shù)據(jù)更新所造成的無用計算僅僅是一步循環(huán)或幾行指令，相比而言，所導(dǎo)致的延時和CPU浪費是微不足道的。

計算線程部分流程如圖4所示。

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