亞線程和動態(tài)亞線程樹的設(shè)計與研究
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摘 要：提出了一種對線程進(jìn)行合理分組的方法,即亞線程技術(shù),并提出了動態(tài)亞線程樹的設(shè)計思想和運行機制。
關(guān)鍵詞：多線程 亞線程 動態(tài)亞線程
多線程是近年來非常流行的一項編程技術(shù)。尤其是在網(wǎng)絡(luò)傳輸和資源共享軟件的設(shè)計中,在多媒體的采集和處理、并行計算、并行處理等方面,更是由于高效性和可靠性要求而使線程技術(shù)得到廣泛使用。多線程技術(shù)保證了程序模塊間的分離度,而且可通過合理劃分功能模塊而減少通信量,實現(xiàn)廣泛的數(shù)據(jù)共享,從而使系統(tǒng)性能得到很大提高。
但是,隨著線程數(shù)目的增多,共享數(shù)據(jù)的管理將變得相當(dāng)復(fù)雜。線程的增多導(dǎo)致對共享數(shù)據(jù)區(qū)的訪問非常頻繁,從而增加了系統(tǒng)的額外開銷。為此,本文提出了基于線程分組的亞線程機制。
在設(shè)計中,只要分組合理,亞線程之間的調(diào)用就不會過于頻繁,從而可減少多個線程頻繁訪問共享數(shù)據(jù)而引起的混亂。由此,亞線程機制可以有效地提高系統(tǒng)性能,同時保證數(shù)據(jù)的安全。
1 亞線程機制的設(shè)計思想
1.1 亞線程和亞線程樹
亞線程在結(jié)構(gòu)上是基于線程的分組。每個亞線程由一定數(shù)目的線程和共享數(shù)據(jù)組成。編程時,把互相之間有緊密關(guān)系或存在頻繁通信關(guān)系的線程及共享數(shù)據(jù)分到同一個亞線程中。亞線程內(nèi)部的互相調(diào)用和通信幾乎不受限制,只有亞線程之間的訪問會受到一定限制。
一般說,線程是被個別創(chuàng)建的。在亞線程機制中,每個線程被分到某個亞線程中,一旦確定,便不再改變。
總之,亞線程可分為根亞線程和普通亞線程兩類。最基本的亞線程叫根亞線程。若創(chuàng)建線程時不指定亞線程,該線程就會自動歸屬于根亞線程。除了根亞線程之外的亞線程都是普通亞線程。
在亞線程機制中,采用亞線程樹來實現(xiàn)總體設(shè)計。亞線程樹是程序中所有亞線程構(gòu)成的樹形結(jié)構(gòu)。在這種樹形結(jié)構(gòu)中,一個亞線程通常從屬于其它亞線程。所以,在構(gòu)建一個新的亞線程時,必須指定它從屬于哪個亞線程。若未指定,則會自動歸屬于根亞線程。這樣,一個應(yīng)用程序中的所有亞線程最終都會直接或間接歸屬于根亞線程。亞線程樹結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 亞線程樹狀結(jié)構(gòu)圖
在采用進(jìn)程-線程結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序中,亞線程是介于進(jìn)程和線程之間的中間結(jié)構(gòu)。實驗表明,由于亞線程的加入,使系統(tǒng)效率得到很大提高。
1.2亞線程機制的具體實例
在本課題組完成的863項目《遠(yuǎn)程機器人控制系統(tǒng)》中采用了進(jìn)程-線程結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上加入了亞線程后,形成進(jìn)程-亞線程-線程機制。
此系統(tǒng)主要功能是:通過圖像傳輸和命令傳輸,對遠(yuǎn)程機器人進(jìn)行相應(yīng)控制,并通過加密技術(shù)實現(xiàn)對信息的即時加密。系統(tǒng)采用Client/Server結(jié)構(gòu)。表1和表2分別為Server端和Client端的線程和亞線程列表。
表1 Server端的線程和亞線程列表
| 亞線程名稱 | 線程名稱 | 線程功能 |
| 根亞線程 | 請求連接線程 | 接收 Client 端的發(fā)送連接請求 |
| Client/Server 同步線程 | 進(jìn)行Client/Server 端的同步操作 | |
| 亞線程1 (圖像處理) |
圖像采集線程 | 從終端的攝像頭采集圖像 |
| 圖像壓縮線程 | 對采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮 | |
| 圖像發(fā)送線程 | 發(fā)送壓縮的圖像數(shù)據(jù) | |
| 亞線程2 (命令處理) |
命令接收線程 | 接收Client端發(fā)來的命令 |
| 命令執(zhí)行線程 | 執(zhí)行接收到的命令 | |
| 亞線程3 (加密文件傳輸) |
加密線程 | 對準(zhǔn)備發(fā)向?qū)Ψ降奈募M(jìn)行加密 |
| 解密線程 | 對來自對方的加密文件進(jìn)行解密 | |
| 亞線程4 (文字通信) |
文字發(fā)送線程 | 負(fù)責(zé)雙方文字通信 |
表2 Client端的線程和亞線程列表
| 亞線程名稱 | 線程名稱 | 線程功能 |
| 根亞線程 | 請求連接線程 | 接收 Client 端的發(fā)送連接請求 |
| Client/Server 同步線程 | 進(jìn)行Client/Server 端的同步操作 | |
| 亞線程1 (圖像處理) |
圖像接收線程 | 從終端的攝像頭采集圖像 |
| 圖像解壓縮線程 | 對采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮 | |
| 圖像顯示線程 | 發(fā)送壓縮的圖像數(shù)據(jù) | |
| 亞線程2 (命令處理) |
命令發(fā)送線程 | 接收Client端發(fā)來的命令 |
| 亞線程3 (加密文件傳輸) |
加密線程 | 對準(zhǔn)備發(fā)向?qū)Ψ降奈募M(jìn)行加密 |
| 解密線程 | 對來自對方的加密文件進(jìn)行解密 | |
| 亞線程4 (文字通信) |
文字發(fā)送線程 | 負(fù)責(zé)雙方文字通信 |
在Server端,亞線程樹結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,圖像采集、圖像壓縮和圖像傳送三個線程的處理對象都是視頻文件;命令接收和命令執(zhí)行兩個線程的處理對象都是命令;文件加密線程和文件解密線程的處理對象都是文件;文字發(fā)送線程和文字接收線程則負(fù)責(zé)文字通信。基于上述特點,這些線程構(gòu)成了圖2所示的亞線程樹結(jié)構(gòu)。
圖2 遠(yuǎn)程機器人控制系統(tǒng)Server端亞線程樹結(jié)構(gòu)
圖3 遠(yuǎn)程機器人控制系統(tǒng)Client端亞線程樹結(jié)構(gòu)
在Client端,程序運行后,每連接一個機器人站點就建立一個進(jìn)程。每個進(jìn)程中的亞線程結(jié)構(gòu)如圖3所示。各亞線程的構(gòu)建方法與Server端類似。
加入亞線程機制后,亞線程間的數(shù)據(jù)訪問受到限制。例如文字發(fā)送、接收線程和S/C同步線程基本不訪問加密解密的文件,亞線程管理器甚至可以禁止這些線程去訪問傳輸?shù)奈募Ｓ秩?對傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù),除了Server端的圖像采集、壓縮和傳送線程,以及Client端的圖像接收、解壓縮和顯示線程外,不能被其他任何線程訪問。這樣,通過亞線程機制優(yōu)化了整個應(yīng)用程序的運行,并保證了數(shù)據(jù)的安全。此外,由于主要操作都?xì)w為亞線程內(nèi)部操作,所以,大大提高了程序執(zhí)行的效率。
1.3 亞線程機制的特點
亞線程機制的特點是,允許對一個亞線程中的所有線程同時操作。例如,可通過調(diào)用相應(yīng)的方法來設(shè)置其中所有線程的優(yōu)先級,也可以啟動或阻塞所有線程。
亞線程機制的另一重要特點是為安全性提供了很好前提。它通過分組來區(qū)分不同安全級別的線程,對不同亞線程中的線程進(jìn)行不同處理,還可以通過亞線程的分層結(jié)構(gòu)來支持不對等安全措施。在亞線程機制中,一個線程只能修改所屬亞線程樹中的其它線程,這種修改包括修改線程優(yōu)先級別和掛起或喚醒線程等操作。
由于一個亞線程只能訪問那些從自己的根亞線程樹分支出來的線程,而不能訪問其他任何線程。因此,可有效保證數(shù)據(jù)的安全。
2 動態(tài)亞線程樹的運行機制
動態(tài)亞線程樹是對亞線程機制的進(jìn)一步優(yōu)化,它通過在亞線程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加入亞線程管理器和動態(tài)亞線程機制來實現(xiàn)。
2.1亞線程管理器
亞線程管理器的功能是對亞線程進(jìn)行調(diào)控,它獨立于所有亞線程。
具體設(shè)計時,亞線程管理器由一個表格和一個控制組件構(gòu)成。表格紀(jì)錄各種信息,具體內(nèi)容隨應(yīng)用程序不同而異。例如,包括亞線程間的交互信息,整個系統(tǒng)中包含的線程和亞線程名,各線程和亞線程對應(yīng)的父亞線程名,線程及亞線程之間的通信次數(shù)和頻率等?？刂平M件則根據(jù)這些信息做出相應(yīng)的調(diào)整。
2.2動態(tài)亞線程機制
大多數(shù)情況下,在線程的整個生命周期中,基本功能、通信對象以及處理對象都較固定,因此,亞線程機制可以有效地優(yōu)化應(yīng)用程序的執(zhí)行效率。但有時有些線程的通信對象不固定,處理的對象也不固定。如果將這樣的線程永久歸入某一個亞線程,就會降低程序的執(zhí)行效率。
動態(tài)亞線程機制可以較好地解決這個問題。動態(tài)亞線程機制的核心是可以動態(tài)地調(diào)整亞線程樹的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。采用這種機制后,一個線程調(diào)用其它亞線程中的對象或者與其他亞線程通信后,相關(guān)線程的標(biāo)識符和通信次數(shù)會被根亞線程管理器紀(jì)錄下來。若此后多次發(fā)生類似的通信,亞線程管理器就會據(jù)此對亞線程樹進(jìn)行調(diào)整,將該線程歸入聯(lián)系最多的亞線程中。另外,如果兩個亞線程之間出現(xiàn)頻繁通信,那么亞線程管理器會經(jīng)過評測和判斷來合并兩個亞線程。
圖4 動態(tài)亞線程的運行機制
圖4是采用動態(tài)亞線程機制時,亞線程樹調(diào)整結(jié)構(gòu)的簡單示例。從圖4中可以看到,亞線程管理器統(tǒng)計結(jié)果中,線程6和亞線程1中的線程通信為20+15+17=42次,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于與亞線程2內(nèi)部的通信。這種情況下,亞線程管理器通過評測機構(gòu)會得出應(yīng)該調(diào)整結(jié)構(gòu)的判斷,于是將線程6歸入亞線程1中。
具體說,亞線程的調(diào)整有以下幾種類型:
①一段時間內(nèi),T1不屬于Y2,但線程T1和亞線程Y2的通信明顯比較頻繁,這種情況下,T1應(yīng)歸入Y2。
② 一段時間內(nèi),線程T1與多個亞線程的通信都很頻繁,這種情況下應(yīng)將線程T1復(fù)制到那些亞線程中,即在相應(yīng)的亞線程中重新創(chuàng)建與T1相同的線程,并進(jìn)行相應(yīng)規(guī)劃。
③ 一段時間內(nèi),兩個亞線程Y1和Y2的相互通信非常頻繁,則將兩個亞線程進(jìn)行合并。
隨著多線程的廣泛應(yīng)用,越來越需要有一種合理的管理機制來管理多線程以免造成調(diào)度的混亂。
亞線程機制可以有效地管理應(yīng)用程序內(nèi)部多個線程之間的相互訪問和調(diào)度。對應(yīng)的樹狀結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)訪問和信息交互的安全。通過動態(tài)調(diào)整亞線程內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及整個亞線程樹的樹狀結(jié)構(gòu),又可以動態(tài)優(yōu)化多線程應(yīng)用程序的整體性能。
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