多線程技術(shù)在VC++串口通信程序中的應(yīng)用研究 


1 概述

　　在現(xiàn)代的各種實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)和通信系統(tǒng)中，在Windows 9X/NT下利用VC++對(duì)RS-232串口編程是常用的手段。Windows 9X/NT是搶先式的多任務(wù)操作系統(tǒng)，程序?qū)PU的占用時(shí)間由系統(tǒng)決定。多任務(wù)指的是系統(tǒng)可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程又可以同時(shí)執(zhí)行多個(gè)線程。進(jìn)程是應(yīng)用程序的運(yùn)行實(shí)例，擁有自己的地址空間。每個(gè)進(jìn)程擁有一個(gè)主線程， 同時(shí)還可以建立其他的線程。線程是操作系統(tǒng)分配CPU時(shí)間的基本實(shí)體，每個(gè)線程占用的CPU時(shí)間由系統(tǒng)分配，系統(tǒng)不停的在線程之間切換。進(jìn)程中的線程共享進(jìn)程的虛擬地址空間，可以訪問進(jìn)程的資源，處于并行執(zhí)行狀態(tài)，這就是多線程的基本概念。

　　2 VC++對(duì)多線程的支持

　　使用MFC開發(fā)是較普遍的VC++編程方法。在VC++6.0下，MFC應(yīng)用程序的線程由CWinThread對(duì)象表示。VC++把線程分為兩種：用戶界面線程和工作者線程。用戶界面線程能夠提供界面和用戶交互，通常用于處理用戶輸入并相應(yīng)各種事件和消息；而工作者線程主要用來處理程序的后臺(tái)任務(wù)。

　　程序一般不需要直接創(chuàng)建CWinThread對(duì)象，通過調(diào)用AfxBeginThread()函數(shù)就會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)CWinThread對(duì)象，從而開始一個(gè)進(jìn)程。創(chuàng)建上述的兩種線程都利用這個(gè)函數(shù)。

　　線程的終止取決于下列事件之一：線程函數(shù)返回；線程調(diào)用ExitThread()退出；異常情況下用線程的句柄調(diào)用TerminateThread()退出；線程所屬的進(jìn)程被終止。

　　3 多線程在串口通信中的應(yīng)用

　　3.1 串口通信對(duì)線程同步的要求

　　因?yàn)橥贿M(jìn)程的所有線程共享進(jìn)程的虛擬地址空間，而在Windows 9X/NT系統(tǒng)下線程是匯編級(jí)中斷，所以有可能多個(gè)線程同時(shí)訪問同一個(gè)對(duì)象。這些對(duì)象可能是全局變量，MFC的對(duì)象，MFC的API等。串口通信的幾個(gè)特點(diǎn)決定了必須采用措施來同步線程的執(zhí)行。

　　串口通信中，對(duì)于每個(gè)串口對(duì)象，只有一個(gè)緩沖區(qū)，發(fā)送和接收都要用到，必須建立起同步機(jī)制，使得在一個(gè)時(shí)候只能進(jìn)行一種操作，否則通信就會(huì)出錯(cuò)。

　　進(jìn)行串口通信處理的不同線程之間需要協(xié)調(diào)運(yùn)行。如果一個(gè)線程必須等待另一個(gè)線程結(jié)束才能運(yùn)行，則應(yīng)該掛起該線程以減少對(duì)CPU資源的占用，通過另一進(jìn)程完成后發(fā)出的信號(hào)(線程間通信)來激活。

　　VC++提供了同步對(duì)象來協(xié)調(diào)多線程的并行，常用的有以下幾種：

　　　CSemaphore：信號(hào)燈對(duì)象，允許一定數(shù)目的線程訪問某個(gè)共享資源，常用來控制訪問共享資源的線程數(shù)量。

　　　Cmutex：互斥量對(duì)象，一個(gè)時(shí)刻至多只允許一個(gè)線程訪問某資源，未被占用時(shí)處于有信號(hào)狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的互斥訪問。

　　　CEvent：事件對(duì)象，用于使一個(gè)線程通知其他線程某一事件的發(fā)生，所以也可以用來封鎖對(duì)某一資源的訪問，直到線程釋放資源使其成為有信號(hào)狀態(tài)。適用于某一線程等待某事件發(fā)生才能執(zhí)行的場(chǎng)合。

　　　CCriticalSection：臨界區(qū)對(duì)象，將一段代碼置入臨界區(qū)，只允許最多一個(gè)線程進(jìn)入執(zhí)行這段代碼。一個(gè)臨界區(qū)僅在創(chuàng)建它的進(jìn)程中有效。

　　3.2 等待函數(shù)

　　Win32 API提供了能使線程阻塞其自身執(zhí)行的等待函數(shù)，等待其監(jiān)視的對(duì)象產(chǎn)生一定的信號(hào)才停止阻塞，繼續(xù)線程的執(zhí)行。其意義是通過暫時(shí)掛起線程減少對(duì)CPU資源的占用。在某些大型監(jiān)控系統(tǒng)中，串口通信只是其中事務(wù)處理的一部分，所以必須考慮程序執(zhí)行效率問題，當(dāng)串口初始化完畢后，就使其處于等待通信事件的狀態(tài)，減少消耗的CPU時(shí)間，提高程序運(yùn)行效率。

　　常用的等待函數(shù)是WaitForSingleObject()和WaitForMultipleObjects()，前者可監(jiān)測(cè)單個(gè)同步對(duì)象，后者可同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)同步對(duì)象。

　　3.3 串口通信的重疊I/O方式

　　MFC對(duì)于串口作為文件設(shè)備處理，用CreateFile()打開串口，獲得一個(gè)串口句柄。打開后SetCommState()進(jìn)行端口配置，包括緩沖區(qū)設(shè)置，超時(shí)設(shè)置和數(shù)據(jù)格式等。成功后就可以調(diào)用函數(shù)ReadFile()和WriteFile()進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫，用WaitCommEvent()監(jiān)視通信事件。CloseHandle()用于關(guān)閉串口。

　　在ReadFile()和WriteFile()讀寫串口時(shí)，可以采取同步執(zhí)行方式，也可以采取重疊I/O方式。同步執(zhí)行時(shí)，函數(shù)直到執(zhí)行完畢才返回，因而同步執(zhí)行的其他線程會(huì)被阻塞，效率下降；而在重疊方式下，調(diào)用的讀寫函數(shù)會(huì)立即返回，I/O操作在后臺(tái)進(jìn)行，這樣線程就可以處理其他事務(wù)。這樣，線程可以在同一串口句柄上實(shí)現(xiàn)讀寫操作，實(shí)現(xiàn)"重疊"。

　　使用重疊I/O方式時(shí)，線程要?jiǎng)?chuàng)建OVERLAPPED結(jié)構(gòu)供讀寫函數(shù)使用，該結(jié)構(gòu)最重要的成員是hEvent事件句柄。它將作為線程的同步對(duì)象使用，讀寫函數(shù)完成時(shí)hEvent處于有信號(hào)狀態(tài)，表示可進(jìn)行讀寫操作；讀寫函數(shù)未完成時(shí)，hEvent被置為無信號(hào)。


4 程序關(guān)鍵代碼的實(shí)現(xiàn)

　　程序?qū)ｉT建立了一個(gè)串口通信類，下面給出關(guān)鍵成員函數(shù)的核心代碼。

BOOL InitComm file://串口初始化，這里只給出關(guān)鍵步驟的代碼，下同
{
　HANDLE m_hComm;
　COMMTIMEOUTS m_CommTimeouts;
　m_hComm = CreateFile("COM1", file://在這里只使用串口1
　　GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, file://打開類型為可讀寫
　　0, file://以獨(dú)占模式打開串口
　　NULL, file://不設(shè)置安全屬性
　　OPEN_EXISTING,
　　FILE_FLAG_OVERLAPPED, file://重疊I/O方式
　　0);
　if (m_hComm == INVALID_HANDLE_VALUE) file://打開不成功
　　{return FALSE;}
　m_CommTimeouts.ReadIntervalTimeout = 1000;
　file://進(jìn)行超時(shí)設(shè)置，讀者應(yīng)根據(jù)自己的實(shí)際需要設(shè)置
　m_CommTimeouts.ReadTotalTimeoutMultiplier = 500;
　m_CommTimeouts.ReadTotalTimeoutConstant = 5000;
　m_CommTimeouts.WriteTotalTimeoutMultiplier = 500;
　m_CommTimeouts.WriteTotalTimeoutConstant = 5000;
　if (!SetCommTimeouts(m_hComm, &m_CommTimeouts))
　　{CloseHandle(m_hComm);
　　　return FALSE;}
　PurgeComm(m_hComm, PURGE_RXCLEAR | PURGE_TXCLEAR | PURGE_RXABORT | PURGE_TXABORT); file://清緩沖
　return TRUE;
}
 



以上是專門針對(duì)COM1的初始化，如果要利用同一函數(shù)對(duì)不同串口初始化，則要在初始化前先進(jìn)入代碼臨界區(qū)，以保證在某一時(shí)刻只進(jìn)行一個(gè)串口的初始化。

　　在串口初始化成功后，就可以建立監(jiān)控線程處理串口通信事件。下面是該線程的關(guān)鍵代碼。

UINT CommThread(LPVOID pParam) file://用于監(jiān)控串口的工作者線程
{
　BOOL bResult = FALSE;
　if (m_hComm) file://查看端口是否打開，這里m_hComm同上，作者在這里做了簡(jiǎn)化
　　PurgeComm(m_hComm, PURGE_RXCLEAR | PURGE_TXCLEAR | PURGE_RXABORT | 　　　PURGE_TXABORT);
　　for (;;) file://只要線程運(yùn)行，就處于監(jiān)視端口行為的無限循環(huán)
　　{
　　　bResult = WaitCommEvent(m_hComm, &Event, &m_ov);
　　　file://m_ov是OVERLAPPED類型的成員變量
　　　if (!bResult)
　　　　{ file://進(jìn)行出錯(cuò)處理}
　　　else
　　　{
　　　　Event = WaitForMultipleObjects(4, m_hEvent, FALSE, INFINITE);
　　　　file://無限等待設(shè)定的事件發(fā)生，數(shù)組m_hEvent根據(jù)需要定義了須響應(yīng)的接收，發(fā)送，關(guān)閉端口事件和OVERLAPPED類型的hEvent事件
　　　　switch (Event)
　　　　{ file://讀寫事件的響應(yīng)處理過程，在此略}
　　　　}
　　　　return 0;
　}
 



這樣監(jiān)控主程序就可以使用AfxBeginThread()函數(shù)來產(chǎn)生CommThread串口監(jiān)控線程。如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)所有端口的同時(shí)監(jiān)控，可以分別對(duì)端口建立監(jiān)控線程。

　　5 小結(jié)

　　作為一個(gè)機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分，本串口通信程序在VC++6.0下編譯通過，在使用windows 98/NT的局域網(wǎng)里運(yùn)行良好。