用Visual C++實(shí)現(xiàn)工控設(shè)備多線程控制程序

　   多線程技術(shù)的引入，不僅可以挖掘潛在的CPU空閑時(shí)間，而且還可以提高應(yīng)用程序的瓜速度，其優(yōu)點(diǎn)在有多個(gè)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Visual C++的引入，其靈活的線程實(shí)現(xiàn)機(jī)制使得程序員從繁瑣的Windows編程中解脫出來(lái)。關(guān)于多線程基本機(jī)理和實(shí)現(xiàn)方法近年來(lái)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(lèi)型和同步方法的優(yōu)劣，并給出一個(gè)實(shí)用的、有較廣適應(yīng)性的程序主體框架。

　　1 各種線程類(lèi)型和同步方法

　　1.1 線程類(lèi)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(lèi)。

　　用戶界面線程的特點(diǎn)是擁有單獨(dú)的消息隊(duì)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(shí)現(xiàn)時(shí)由CwinThread派生出一個(gè)類(lèi)。但其缺點(diǎn)是當(dāng)需要停止或撤銷(xiāo)當(dāng)前正在運(yùn)行的線程而向其發(fā)送中止消息后，只有在消息隊(duì)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(duì)CPU是一種浪費(fèi)，在對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的工控程序中是不可容忍的。

　　工作者線程選用于處理后臺(tái)任務(wù)，而不影響用戶對(duì)應(yīng)用程序的使用。工作者線程僅僅由一個(gè)函數(shù)體實(shí)現(xiàn)，其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，便 于編程者控制，與事件同步方法相配合能對(duì)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(gè)或更多的線程同時(shí)訪問(wèn)相同數(shù)據(jù)會(huì)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(gè)不可或缺的環(huán)節(jié)。Visual C++提供了四種同步方法：臨界區(qū)（Critial Section）、信號(hào)燈（Semaphore）、互斥量（Mutex）和事件（Event）。

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

　　事件同步是通過(guò)鈄事件自身設(shè)置為有信號(hào)或無(wú)信號(hào)來(lái)通知其它線程某一操作已完成或尚款完成，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(duì)于因數(shù)據(jù)未能及時(shí)更新而導(dǎo)致大量的無(wú)用計(jì)算及其對(duì)實(shí)時(shí)性的損害來(lái)講，這是非常值得的。

　　下面介紹的是筆者參與某‘九五’預(yù)研項(xiàng)目中所設(shè)計(jì)的主控臺(tái)程序的基本框架，這個(gè)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(guò)通信端口與下端設(shè)備通信，接收下端設(shè)備傳來(lái)的數(shù)據(jù)或向下端設(shè)備發(fā)送指令；（2）對(duì)下端設(shè)備所傳數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

　　與之相對(duì)應(yīng)，該軟件具有一個(gè)主線程和兩個(gè)子線程，其中一個(gè)子線程為通信線程，另一個(gè)為計(jì)算線程。主線程是Windows下每個(gè)應(yīng)用程序都具備的，負(fù)責(zé)線程間的同步、向計(jì)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(kù)的操作和管理等功能。能信線程通過(guò)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(jí)控制結(jié)構(gòu)時(shí)，還可用來(lái)與更高一級(jí)的控制設(shè)備進(jìn)行通信并向上傳遞數(shù)據(jù)。計(jì)算線程負(fù)責(zé)核心算法的實(shí)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(kāi)始后先由主線程建立通信線程與計(jì)算線程。通信線程監(jiān)視通信端口，當(dāng)下方設(shè)備發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)時(shí)，就向主線程發(fā)送自定義的WM_USER_COMM_NOTIFY消息，通知主線程計(jì)算數(shù)據(jù)有所改變，主線程則對(duì)之進(jìn)行處理，即中止當(dāng)前的計(jì)算，并重新開(kāi)始計(jì)算。

　　3 具體實(shí)現(xiàn)

　　用Visual C++r AppWizard生成一個(gè)應(yīng)用程序，這是主控程序的雛形，該應(yīng)用程序暫取名為CrtSys，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(xiàng)目中加入threads.cpp文件，在該文件中寫(xiě)入通信線程中計(jì)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(gè)值就是在線程對(duì)象產(chǎn)生時(shí)傳遞給線程構(gòu)成造函數(shù)的參數(shù)?？刂坪瘮?shù)能解釋此值的不同表現(xiàn)方式。它可以被當(dāng)作一個(gè)普通變量對(duì)待，也可以被視為一個(gè)指向包含有多個(gè)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(gè)結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)可能不僅僅用來(lái)從調(diào)用者傳遞參數(shù)給線程，還可能用來(lái)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(shí)，應(yīng)該返回一個(gè)UINT類(lèi)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(lèi)型的錯(cuò)誤，這完全依賴實(shí)現(xiàn)情況。

　　按一般程序示例，線程通常在視類(lèi)或框架窗口類(lèi)中產(chǎn)生。但在工控程序中，通信與計(jì)算線程常常要大量地對(duì)計(jì)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(lèi)常常用存儲(chǔ)所要處理的數(shù)據(jù)。因此把計(jì)算與通信線程放在文檔類(lèi)中產(chǎn)生，并把產(chǎn)生線程的當(dāng)前文檔對(duì)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(kāi)始，就要對(duì)所傳來(lái)的參數(shù)進(jìn)行識(shí)別：

　　CctrsysDoc* pDoc=(CctrsysDoc*)pParam；
　　　注意要在文件開(kāi)頭包括進(jìn)文檔類(lèi)的頭文件
　　#include"CtrsysDoc.h"

　　3.1.2 多線程的產(chǎn)生

　　在文檔類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)中產(chǎn)生線程。程序啟動(dòng)時(shí)生成文檔對(duì)象，同時(shí)啟動(dòng)兩個(gè)線程。

　　///////////////////////////////////
　　// CctrsysDoc construction/destruction
　　CctrsysDoc::CctrsysDoc()
　　{
　　……
　　m_pCalcThread=AfxBeginThread(CalcThreadProc,this);
　　m_pCommThread=AfxBeginThread (CommThreadPros,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(wèn)其它MFC對(duì)象。

　　3.2 線程間的同步

　　程序中設(shè)置有八個(gè)事件用于線程同步：

　　HANDLE m_hEventPost;//用來(lái)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(jì)算線程開(kāi)始計(jì)算
　　HANDLE m_hEventCalcStarted;//計(jì)算線程通知主框架計(jì)算已經(jīng)開(kāi)始
　　HANDLE m-hEventStopCalc;//主框架通知計(jì)算線程中止計(jì)算
　　HANDLE m-hEventCalcStopped;//計(jì)算線程通知主框架計(jì)算已經(jīng)中止
　　HANDLE m-hEventCalcDone;//計(jì)算線程通知主框架計(jì)算已經(jīng)結(jié)束
　　HANDLE m-hEventUpdateSourceData；//主框架通知計(jì)算線程更新數(shù)據(jù)
　　HANDLE m-hEventSourceDataUpdated;//能信線程通知主框架數(shù)據(jù)已更新完畢

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

　　因各線程都以文檔對(duì)象指針為參數(shù)，這些事件都在文檔類(lèi)頭文件中定義，這引起事件在文檔類(lèi)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,FALSE,NULL);
　　m_hEventCalcStarted=CreateEvent(NULL,TRUE,FALSE,NULL);
　　m_hEventStartCalc=CreateEvent(NULL,TRUE,FALSE,NULL);
　　m_hEventSourceDataUpdated=CreateEvent(NULL,TRUE,FALSE,NULL);
　　m_hEventUpdateSourceData=CreateEvent(NULL,TRUE,FALSE,NULL);
　　m_hEventCalcStopped =CreateEvent (NULL,TRUE,FALSE,NULL);
　　m_hEventStopCalc=CreateEvent(NULL,TRUE,FALSE,NULL);
　　……
　　}

　　線程的同步工作主要在主框架CmainFrame類(lèi)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(shí)，通信線程發(fā)送給CmainFrame類(lèi)一個(gè)WM_USER_COMM_NOTIFY消息。CmainFrame類(lèi)接收到消息后，在消息響應(yīng)函數(shù)OnCommNotify中終止計(jì)算線程的當(dāng)前計(jì)算，計(jì)算成功終止后由能信線程更新計(jì)算所需的數(shù)據(jù)源，待更新完畢后，重新開(kāi)始計(jì)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(jì)算線程

　　編程者應(yīng)根據(jù)數(shù)據(jù)處理過(guò)程，在運(yùn)算量較大或循環(huán)次數(shù)較多的地方設(shè)置對(duì)m_hEventStopCalc事件的查詢。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生更新時(shí)，使用其它線程類(lèi)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(gè)一次數(shù)據(jù)處理都是無(wú)用計(jì)算；而采用上述方法，因數(shù)據(jù)更新所造成的無(wú)用計(jì)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(shí)和CPU浪費(fèi)是微不足道的。

　　計(jì)算線程部分流程如圖4所示。