基于TCP/IP的多線程通信及其在遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要： 提出了一種在Windows NT下基于TCP/IP協(xié)議的多線程通信的設(shè)計與實現(xiàn)方法，在此基礎(chǔ)上給出了多線程通信在蓄電池遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用實例。

關(guān)鍵詞： 多線程 實時性 TCP/IP協(xié)議 遠程監(jiān)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)的應(yīng)用程序都是單線程的，即在程序運行期間，由單個線程獨占CPU的控制權(quán)，負責(zé)執(zhí)行所有任務(wù)。在這種情況下，程序在執(zhí)行一些比較費時的任務(wù)時，就無法及時響應(yīng)用戶的操作，影響了應(yīng)用程序的實時性能。在監(jiān)控系統(tǒng)，特別是遠程監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)用程序往往不但要及時把監(jiān)控對象的最新信息反饋給監(jiān)視客戶（通過圖形顯示），還要處理本地機與遠程機之間的通信以及對控制對象的實時控制等任務(wù)，這時 ，僅僅由單個線程來完成所有任務(wù)，顯然無法滿足監(jiān)控系統(tǒng)的實時性要求。在DOS系統(tǒng)下，這些工作可以由中斷來完成。而在Windows NT下，中斷機制對用戶是不透明的。為此，可引進多線程機制，主線程專門負責(zé)消息的響應(yīng)，使程序能夠響應(yīng)命令和其他事件。輔助線程可以用于完成其他比較費時的工作，如通信、圖形顯示和后臺打印等，這樣就不至于影響主線程的運行。

１ Windows NT 多線程概述

Windows NT是一個真正的搶占式多任務(wù)操作系統(tǒng)。在 Windows NT中，啟動一個應(yīng)用程序就是啟動該應(yīng)用程序的一個實例，即進程。進程由一個或多個線程構(gòu)成，擁有內(nèi)存和資源，但自己不能執(zhí)行自己，而是進程中的線程被調(diào)度執(zhí)行。進程至少要有一個線程，當創(chuàng)建一個進程時，就創(chuàng)建了一個線程，即主線程。主線程可以創(chuàng)建其他輔助線程，由主線程創(chuàng)建的線程又可創(chuàng)建線程。每個線程都可指定優(yōu)先級，操作系統(tǒng)根據(jù)線程的優(yōu)先級調(diào)度線程的執(zhí)行。

Windows NT中使用多線程的方法有三種：

· 使用C多線程庫函數(shù)；

· 使用CreateThread() 等Win32函數(shù)；

· 使用MFC類。

本文采用第三種方法。在Visual C++5.0 中，MFC應(yīng)用程序用CWinThread 對象表示線程?；静僮魅缦拢?/p>

· 創(chuàng)建新線程：調(diào)用MFC全局函數(shù)AfxBeginThread （）創(chuàng)建新線程。AfxBeginThread（）啟動新線程并返回控制，然后，新線程和調(diào)用AfxBeginThread（）的線程同時運行。它的返回值為指向CWinThread對象的指針；

· 暫停／恢復(fù)線程：調(diào)用CWinThread類成員函數(shù)SuspendThread（）暫停線程的運行，調(diào)用ResumeThread（）成員函數(shù)恢復(fù)線程的運行；

· 終止線程：在線程內(nèi)部可調(diào)用全局函數(shù)AfxBeginThread（）終止線程的運行，否則，線程執(zhí)行結(jié)束后，線程自動從線程函數(shù)返回并釋放線程占有的資源。

２ 基于TCP/IP的多線程編程

TCP/IP是lnternet上廣泛使用的一種協(xié)議，可用于異種機之間的互聯(lián)。TCP/IP協(xié)議本身是非常復(fù)雜的，然而在網(wǎng)絡(luò)編程中，程序員不必考慮TCP/IP的實現(xiàn)細節(jié)，只需利用協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程接口Socket（亦稱套接字）即可。在 Windows 中，網(wǎng)絡(luò)編程接口是 Windows Socket它包含標準的Berkley Sockets的功能調(diào)用的集合，以及為 Windows 所做的一些擴展。TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用一般采用客戶／服務(wù)器模式，面向連接的應(yīng)用調(diào)用如圖１所示。

根據(jù)上述順序調(diào)用函數(shù)建立連接后，通信雙方便可交換數(shù)據(jù)[1]。然而，在調(diào)用帶*號的函數(shù)時，操作常會阻塞，特別是當套接字工作在同步阻塞模式（Blocking Mode）時。這時，程序無法響應(yīng)任何消息。為了避免出現(xiàn)這種情況，本文引進輔助線程。在執(zhí)行含有可能阻塞的函數(shù)的任務(wù)時，動態(tài)創(chuàng)建新的線程，專門處理該任務(wù)。主線程把任務(wù)交給輔助線程后，不再對輔助線程加以控制與調(diào)度。本文分別針對connect（）、accept（）、receive（）、send（）等可能阻塞的函數(shù)創(chuàng)建了相應(yīng)的線程，如表1所示。

多線程編程常常還要考慮線程間的通信。線程間的通信可以采用全局變量、指針參數(shù)和文件映射等方式。本文采用指針參數(shù)方式。在調(diào)用AfxBeginThread（）函數(shù)時，通過傳遞指針參數(shù)的方式在主線程與輔助線程間通信。

AfxBeginThread（）函數(shù)的用法如下：

CWinThread*AfxBeginThread （AFX＿THREADPROC pfnThreadproc，

LPVOID pParam，

int nPriority=THREAD＿PRIORITY＿NORMAL，

UINT nStackSixe=0，

DWORD dwCreateFlags=0，

LPSECURITY＿ATTRIBUTES lpSecurityAttrs=NULL）；

參數(shù)pfnThreadProc指定線程函數(shù)必須如下定義：

UINT MyControllingFunction（LPVOID pParam）； 

參數(shù)pParam 是調(diào)用線程傳遞給線程函數(shù)pfThreadProc的參數(shù)；

其他參數(shù)一般只需采用缺省值。

指針參數(shù)通信方式就是通過參數(shù)pParam在線程間通信的，它可為指向任何數(shù)據(jù)類型的指針。本文中，定義了一個名叫EXCHANGE＿INFO的結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct

{ SOCKET sServerSocket；

SOCKET *pcCoientSocket；

SOCKADDR＿IN *pClientAddr；

BOOL *pbConnected；

unsigned char *pucBuffer；

int *pnMessageLen；

} EXCHANGE＿INFO；

在需要通信時，先聲明一個結(jié)構(gòu)變量，再把變量的指針作為pParam參數(shù)，調(diào)用AfxBeginThread（（AFX＿THREADPROC） CSocketThread：：WaitFor ConnectThread，（LPVOID）＆ m＿Exchangeinfo）函數(shù)即可。

為了利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)編程所具有的模塊性強、便于修改、可移植性好等優(yōu)點，本文還把表1中的線程封裝為父類為CWinThread的自定義類CSocketThread中。還自定義了一個叫CSocketComm的新類，封裝了一些函數(shù)，如CreateSocket、ConnectToServer、WaitForClient、ReadMessage、SendMessage等，這些函數(shù)屏蔽了面向連接的通信程序的實現(xiàn)細節(jié)，如創(chuàng)建、連接、發(fā)送和接收等，在這些函數(shù)里，動態(tài)創(chuàng)建輔助線程。

下面以CSocketComm類中的等待客戶連接請求的函數(shù)WaitForClient（）為例，注釋說明多線程編程的具體細節(jié)。

BOOL CSocketComm::WaitForClient

{

if(m＿bConnected)return( TRUE );

／／配置bind函數(shù)的參數(shù)即服務(wù)器的套接字地址結(jié)構(gòu)

SOCKADDR＿IN Addr;

memset(＆Addr,0,sizeof(SOCKADDR＿IN));

Addr．sin＿family=AF＿INET;

ADDR．SIN＿port= htonl(m＿nPort); 

Addr．sin＿addr．s＿addrｒ = htonl(INADDR＿ANY); 

　 ／／將套接字地址結(jié)構(gòu)賦予套接字（綁定），以指定本地半相關(guān)

int nReturnValue;

nReturnValue =::bind( m＿sSserverSocket,( LPSOCKADDR)＆Addr,sizeof (SOCKADDR＿IN )); 

if(nReturnValue == SOCKET＿ERROR)  returu( FALSE );

／／配置傳給WaitForConnectThread線程函數(shù)的參數(shù)m＿Exchangeinfo

m＿Exchangeinfo．sServerSocket = m＿sserverSocket;

m＿Exchangeinfo．psClientSocket = ＆m＿sClientSocket;

m＿Exchangeinfo．pClientAddr = ＆m＿ClientAddr;

m＿Exchangeinfo．pbConnected = ＆m＿bConnected;

　?。詍＿Exchangeinfo的指針為參數(shù)調(diào)用WaitforConnectThread線程等待客戶端連接

AfxBeginThread((AFX＿THREADPROC)CSocketThread::

WaitForConnectThread,(LPVOID) ＆m＿Exchanginfo); 

returi( TRUE )

}

／／等待連接線程

UINT CSocketThread::WaitForConnectThread(LPVOIDpParam)

{

EXCHANGE＿INFO*pExchangelnfo＝(EXCHANGE＿INFO*) pParam;

int nReturnValue, nClientAddrSize= Sizeof( SOCKADDR＿IN);

／／偵聽連接

nReturnValue=:: listen(pExchangelnfo －＞sServerSocket, 1); 

if( nReturnValue == SOCKET＿ERROR )return(0);

／／阻塞調(diào)用accept，直至有客戶連接請求

 *pExchangelnfo－＞psClitentSocket=:: accept(pExchangelnfo－＞sServerSocket, (LPSOCKADDR) pEchangelnfo －＞pClientAddr,＆nClientAddrSize); 

if(( *pExchangelnfo－＞psClitentSocket)!= INVALID＿SOCKET)

／／通過pExchangelnfo的指針在線程間通信

 * pExchangelnfo－＞pbConnected TRUE;

return( 0 );



３ 應(yīng)用實例－高層協(xié)議的設(shè)計

在電廠和電站中，為了保證安全工作，保護系統(tǒng)必不可少。保護系統(tǒng)的電源供應(yīng)通常使用兩種方式。一般情況下，使用交流電系統(tǒng)對保護系統(tǒng)進行供電；當交流電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時立即使用后備的蓄電池系統(tǒng)對保護系統(tǒng)進行供電。為了對蓄電池系統(tǒng)進行監(jiān)控和管理，以保證蓄電池在關(guān)鍵時刻能正常工作，設(shè)計了在Windows NT環(huán)境下具有遠程通訊功能和動態(tài)人機界面的智能蓄電池遠程監(jiān)控系統(tǒng) 。該系統(tǒng)由蓄電池智能管理、充電機控制、母線絕緣在線檢測、聲光報警、系統(tǒng)組態(tài)、遠程通信等子系統(tǒng)組成，實現(xiàn)對蓄電池／充電機智能化遠程管理和控制，對整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，具有多媒體報警、事件處理、動態(tài)數(shù)據(jù)庫、趨勢畫面和動態(tài)畫面顯示、操作提前提醒等功能。系統(tǒng)框圖如圖2所示。在遠程通信模塊中，遠程監(jiān)控機需把監(jiān)控客戶的操作命令及時傳給本地機，本地機根據(jù)命令控制充電機，使之按照一定的方式工作，而本地機需定時向遠程監(jiān)控機反饋實時的充電機狀態(tài)信息。它們之間的通信是基于TCP/IP的廣域網(wǎng)通信，而且，我們引進了多線程機制以保證系統(tǒng)具有良好的實時性。

下面以其中的充電機控制系統(tǒng)為例談?wù)勅绾问褂肅SocketComm類進行遠程通信。為簡單起見，假定本地機與遠程監(jiān)控機之間通信的信息僅有下面三種類型：

·本地機接收到該命令后，控制充電機按照穩(wěn)壓模式運行，輸出電壓為電壓給定值；

·本地機接收到該命令后，控制充電機按照穩(wěn)流定時模式運行，輸出電流為電流給定值；

·本地機向遠程監(jiān)控機發(fā)送充電機的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)（包括輸出電壓、輸出電流、狀態(tài)指示和故障類型指示）。

在基于TCP/IP的面向連接的網(wǎng)絡(luò)通信中，客戶與服務(wù)器之間傳送的是有序可靠的字節(jié)流（Byte Stream），所以程序員有必要在傳輸層TCP上定義自己的高層協(xié)議，設(shè)計幀結(jié)構(gòu)，將字節(jié)流變成有意義的信息。在CSocketComm類中由AssembleMessage()函數(shù)把數(shù)據(jù)組合成一定的幀結(jié)構(gòu)。幀結(jié)構(gòu)為：

其中＠為幀起始標志，＃為幀終結(jié)標志

對應(yīng)的結(jié)構(gòu)定義如下：

typedef struct

{ int MessageType; ／／信息類型

int ChargerNo; ／／充電機編號

int DataNo; ／／數(shù)據(jù)類型

float Data; ／／數(shù)據(jù)

}MessageStruct;

需要通信時，先聲明一個MessageStruct變量，根據(jù)信息內(nèi)容對各成員變量賦值，傳給 AssembleMessage()函數(shù)組合成幀，再調(diào)用SendMessage()函數(shù)發(fā)送給接受方。接受方接到數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)內(nèi)容的解釋，是由CsocketComm類中的AnalyzeMessage()函數(shù)完成的。AnalyzeMessage()函數(shù)返回一個MessageStruct變量。應(yīng)用程序就可根據(jù)它的各成員變量控制充電機或動態(tài)顯示充電機的狀態(tài)。

總之，把多線程機制引進通信，有利于提高應(yīng)用程序的實時性，充分利用系統(tǒng)資源。對于大型的工程應(yīng)用來說，不同的線程完成不同的任務(wù)，也有利于提高程序的模塊化，便于維護和擴展。本文給出了一種在Windows NT下基于TCP/IP協(xié)議的多線程通信的基本方法，根據(jù)該方法進行修改和擴充，便可設(shè)計出符合具體應(yīng)用的高質(zhì)量的多線程通信程序。

參考文獻

１ 蔣東興，林鄂華．Windows Socket 網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計指南．北京：清華大學(xué)出版社,1995

２ Rajagopal Raj,Monica Subodh p．Windows NT4高級程序設(shè)計．北京：機械工業(yè)出版社，1998

（收稿日期：1999-07-13）