基于線程局部存儲技術(shù)的多通道數(shù)控系統(tǒng)仿真

摘要：在多實(shí)例多線程情況下，ActiveX 組件的不同實(shí)例共享同一全局?jǐn)?shù)據(jù)緩沖區(qū)，在改造集成面向過程開發(fā)的傳統(tǒng)代碼時必須修改代碼以消除全部全局變量。針對該情況，使用線程局部存儲技術(shù)實(shí)現(xiàn)全局變量的局部化，采用具有大量全局變量的實(shí)體仿真代碼實(shí)現(xiàn)ActiveX封裝。該技術(shù)已成功應(yīng)用于基于工業(yè)以太網(wǎng)的多通道數(shù)控系統(tǒng)中。

關(guān)鍵詞：數(shù)控系統(tǒng)；線程局部存儲；組件對象模型；ActiveX 組件

1 概述

組件對象模型(CompONent Object Model, COM)是由美國微軟公司提出的一種二進(jìn)制代碼互操作規(guī)范，ActiveX 是實(shí)現(xiàn)了一些特定接口(例如IDispatch)的標(biāo)準(zhǔn)COM 組件。

COM/ActiveX 規(guī)范已成為軟件業(yè)內(nèi)最重要的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之一。

基于組件的軟件構(gòu)架方法通過重用已有的軟件組件，可使軟件開發(fā)者像搭積木一樣快速構(gòu)造應(yīng)用軟件，從而提高生產(chǎn)效率，使軟件設(shè)計(jì)更加規(guī)范可靠。目前基于組件的軟件開發(fā)方法已經(jīng)在業(yè)界得到廣泛應(yīng)用。在數(shù)控系統(tǒng)中也使用組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)加工仿真，但現(xiàn)有文獻(xiàn)較少涉及多個ActiveX 組件實(shí)例的情況。ActiveX 組件采用類似Windows消息運(yùn)行機(jī)制的單套間模型(Single Threaded Apartment, STA)來串行化對組件屬性和方法的調(diào)用，即對ActiveX 組件的所有調(diào)用由COM 系統(tǒng)負(fù)責(zé)線程的同步。因此，該組件的調(diào)用是線程安全的。

COM 在STA 套間內(nèi)的線程中創(chuàng)建一個隱藏窗口，將套間外的線程對這個對象的調(diào)用都轉(zhuǎn)變成對隱藏窗口發(fā)送消息，并由隱藏窗口的消息處理函數(shù)來實(shí)際調(diào)用組件對象，從而實(shí)現(xiàn)STA 套間模型。

一個進(jìn)程中的所有線程均處于同一虛擬地址空間，每個函數(shù)的局部變量在運(yùn)行該函數(shù)的每個線程中都是唯一的，但靜態(tài)和全局變量則被所有線程所共享。即在多個ActiveX 組件實(shí)例的情況下，ActiveX 組件的 STA 模型不能保證全局?jǐn)?shù)據(jù)成員是線程安全的。

2 線程局部存儲原理

線程局部存儲(Thread Local Storage, TLS)是Win32 系統(tǒng)提供的一種簡化多線程程序設(shè)計(jì)的底層基礎(chǔ)技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是介入全局?jǐn)?shù)據(jù)創(chuàng)建過程，建立并管理全局?jǐn)?shù)據(jù)與線程的關(guān)聯(lián)，使得全局?jǐn)?shù)據(jù)為其關(guān)聯(lián)線程所私有。TLS 原理如圖1 所示。

每個進(jìn)程擁有一組TLS 槽口(Slot)，每個槽口用序號標(biāo)識，Windows 2000 有1 088 個這樣的槽口。線程通過API 函數(shù)可以分配TLS 槽口，在TLS 槽口存取數(shù)據(jù)，進(jìn)程中使用同一個序號的不同線程可指向獨(dú)立的局部堆內(nèi)存中進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，即線程ID 和槽口號確定了一個二維空間映射，線程通過API 函數(shù)獲得線程間相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲地址。

圖 1 也表明了采用TLS 機(jī)制的具有2 個ActiveX 組件實(shí)例的運(yùn)行時軟件內(nèi)存結(jié)構(gòu)，進(jìn)程分配了2 個TLS 索引值gdwTlsIndex1 和 gdwTlsIndex2，這2 個索引值代表了TLS槽口的序號，但不同線程按照相同的序號卻得到2 個獨(dú)立的局部堆地址，而這些數(shù)據(jù)在線程內(nèi)卻具有全局?jǐn)?shù)據(jù)的可訪問性，即每個線程有單獨(dú)的全局?jǐn)?shù)據(jù)拷貝，該數(shù)據(jù)對線程內(nèi)的函數(shù)具有全局作用域。

Win32 系統(tǒng)中與TLS 有關(guān)的API 及用法如下：

(1)進(jìn)程初始化時分配TLS 槽口：

DWORD gdwTlsIndex;gdwTlsIndex = TlsAlloc();

(2)調(diào)用TlsSetValue 保存數(shù)據(jù)：

LPVOID lpvBuffer；lpvBuffer = (LPVOID) LocalAlloc(LPTR, 256);

TlsSetValue(gdwTlsIndex, lpvBuffer); //保存存儲區(qū)指針

(3)調(diào)用TlsGetValue 取數(shù)據(jù)：

LPVOID lpvData;lpvData = TlsGetValue(gdwTlsIndex); //取TLS 槽口中保存的存//儲區(qū)指針

(4)調(diào)用TlsFree 釋放槽口：

lpvBuffer = TlsGetValue(gdwTlsIndex);

LocalFree((HLOCAL) lpvBuffer); //釋放存儲區(qū)

TlsFree(gdwTlsIndex); //釋放TLS 槽口

3 應(yīng)用實(shí)例

一種基于Z-Buffer 的銑削實(shí)體加工仿真算法，華中數(shù)控HNC-32 數(shù)控系統(tǒng)HMI 的仿真系統(tǒng)繼承自該代碼，其主要結(jié)構(gòu)如下：

可見，顯示緩存等核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為全局變量，但HNC-32 的設(shè)計(jì)目標(biāo)是多通道數(shù)控系統(tǒng)，每個通道都需要一個實(shí)體加工仿真組件的實(shí)例，由于全局緩存數(shù)據(jù)為所有實(shí)例共享，因此出現(xiàn)的所有通道顯示內(nèi)容將完全一致，無法實(shí)現(xiàn)多通道仿真。為簡化改造工作，將原系統(tǒng)中約50 多個全局變量合并為一個結(jié)構(gòu)，并將原全局變量作為其成員，即一個大的結(jié)構(gòu)變量包括了50 個原全局變量。

按照 TLS 要求該結(jié)構(gòu)變量必須動態(tài)創(chuàng)建，如下代碼表明了它的聲明、創(chuàng)建過程，代碼還表明每個ActiveX 組件構(gòu)造時即調(diào)用API 函數(shù)TlsAlloc 獲得一個線程索引，在局部堆申請到存儲空間后用API 函數(shù)TlsSetValue 將該存儲區(qū)地址與線程索引對應(yīng)。

在其他函數(shù)中，可以通過線程索dwTlsIndex 調(diào)用API函數(shù)TlsGetValue 引訪問到上述大結(jié)構(gòu)變量，進(jìn)而訪問到原全局變量，代碼如下：

//被OpenPatg->hFile 調(diào)用讀刀位文件并顯示刀位軌跡

int CSimuCtrlBCtrl : ShowPath(FILE *fp){

GlobalValues *g=(GlobalValues *)TlsGetValue(dwTlsIndex);

g->CtrlObj->GetClientRect(&rt);...

應(yīng)用實(shí)例界面如圖 2 所示。

在 TLS 改造后，每個ActiveX 實(shí)例均有單獨(dú)的、與線程索引對應(yīng)的局部堆全局變量，各個通道運(yùn)行不同的代碼程序并在各自通道的實(shí)體仿真上顯示各自的運(yùn)行結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了多通道的獨(dú)立執(zhí)行。

4 結(jié)束語

基于組件的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)具有先進(jìn)性，但在多實(shí)例條件下必須實(shí)現(xiàn)各實(shí)例全局?jǐn)?shù)據(jù)的獨(dú)立性，線程局部存儲技術(shù)是最佳解決方案。在解決傳統(tǒng)非面向?qū)ο箝_發(fā)的代碼改造問題時，本文提出的改造方式具有對原有代碼改動少、邏輯關(guān)系清楚等優(yōu)點(diǎn)。在華中數(shù)控基于工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線的新一代多通道HNC-32 數(shù)控系統(tǒng)中的成功應(yīng)用表明了該方法具有實(shí)用性。