虛擬樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)并發(fā)控制策略研究

收稿日期：2007-11-13；修回日期：2008-03-03

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50275100）

作者簡(jiǎn)介：張雪平（1956-），男，四川瀘州人，教授，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計(jì)、數(shù)字化設(shè)計(jì)(ybzxp@126.com);殷國(guó)富（1956-），男，教授，博導(dǎo)，主要研究方向?yàn)椴⑿泄こ?、CAD/CAM*

（1.宜賓學(xué)院 電子工程系，四川 宜賓 644007；2.四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065)

摘 要：針對(duì)虛擬樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)量大、事務(wù)長(zhǎng)、多層嵌套的問題，提出了一種基于事務(wù)語(yǔ)義的并發(fā)控制策略，闡述了并發(fā)控制機(jī)制中事務(wù)結(jié)構(gòu)、事務(wù)提交、鎖機(jī)制和沖突協(xié)調(diào)等關(guān)鍵性問題。根據(jù)數(shù)據(jù)要求生成復(fù)制事務(wù)，事務(wù)發(fā)生改變后，其他站點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)顯示圖形、實(shí)時(shí)讀取數(shù)據(jù)。實(shí)例證明，基于事務(wù)語(yǔ)義的并發(fā)控制策略保證協(xié)同用戶自由地操作共享資源，提高了并發(fā)控制的可靠性和數(shù)據(jù)的一致性。

關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)； 協(xié)同設(shè)計(jì)； 并發(fā)控制； 事務(wù)語(yǔ)義

中圖分類號(hào)：TP 393

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-3695(2008)10-2959-03

Research on concurrency control mechanism for collaborative of virtual prototype

ZHANG Xue-ping¹，YIN Guo-fu²

(1. Dept. of Electronic Engineering，Yibin University， Yibin Sichuan 644007， China；2. School of Manufacturing Science Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065， China）

Abstract:To contrapose such problems as large volume of data， long-term transaction process and nested layer in collaborative of virtual prototype，this paper established a new strategy of collaborative design. Then discussed the relationships among structure， transaction submission， the inter-lock mechanism and conflict harmonization. According data requirements to replicate contents， other stations can read data and show the graph when data are changed. It is verified that the concurrency control strategy not only enabled the collaborative users handle shared resources freely， but also ensured the agility concurrency control and the consistency of real-time data by an application example.

Key words：virtual prototype; collaborative design; concurrency control; transaction semantic

0 引言

利用虛擬樣機(jī)代替物理樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估，對(duì)縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量有著巨大作用[1]。虛擬樣機(jī)是不同領(lǐng)域CAx / DFx模型、仿真模型等的有效集成與協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)與仿真的核心是對(duì)這些模型進(jìn)行一致和有效的描述、組織管理和協(xié)同運(yùn)行。目前，以各類 CAx（如 CAD、CAM、CAE 等）/ DFx（如 DFA、DFM等）為代表的產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析技術(shù)已在機(jī)械、電子、控制、軟件等各個(gè)領(lǐng)域中取得許多研究成果與成功的應(yīng)用。在CSCW（computer supported collaborative work，計(jì)算機(jī)支持的協(xié)同工作）系統(tǒng)中，存在多用戶對(duì)共享對(duì)象的訪問。虛擬樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)并發(fā)控制是一個(gè)亟待解決的問題。傳統(tǒng)的并發(fā)控制方法包括雙階段鎖（two phase locking，2PL）、時(shí)間戳(timestamp ordering，TSO)、樂觀并發(fā)控制（optimistic concurrency control，OCC）和混合控制（hybrid）[2~4]；楊光信等人[5]提出oodopt并發(fā)控制模型，在全復(fù)制結(jié)構(gòu)下利用對(duì)象本身的語(yǔ)義進(jìn)行沖突解析；劉新福等人[6]提出在CSCW環(huán)境下利用向前變換，重構(gòu)對(duì)象的操作歷史記錄的串行化并發(fā)控制。以上方法從不同角度提出了并發(fā)控制策略，但在一定程度上存在數(shù)據(jù)一致性差和并發(fā)率低的問題。本文提出一種基于語(yǔ)義的并發(fā)控制策略，其目標(biāo)是不僅讓用戶能自由地操作共享資源，還能讓用戶最大程度地進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)作，保證協(xié)同用戶在操作過程中具有高并發(fā)率和數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)一致性。

1 虛擬樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)并發(fā)控制模型

實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)并發(fā)控制模型采用服務(wù)器/客戶端結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)作為服務(wù)器與用戶端的通信接口，系統(tǒng)遠(yuǎn)程交互使用XML[7]。系統(tǒng)中內(nèi)嵌了進(jìn)程管理器、操作管理器和對(duì)象管理器，并發(fā)控制模型如圖1所示。

進(jìn)程管理器主要是維護(hù)協(xié)同設(shè)計(jì)過程中操作的一致性和合法性。由于網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，對(duì)于特定模型的某個(gè)操作引起的模型數(shù)據(jù)變化，不一定能及時(shí)地反映在當(dāng)前所有相關(guān)用戶端。可以這樣想象：某用戶端已經(jīng)進(jìn)行了刪除對(duì)象的操作，同一時(shí)刻另一用戶端正在進(jìn)行該對(duì)象組件裝配。顯然，后者的操作是非法的。為了解決這一沖突，在進(jìn)程管理器中嵌入一個(gè)實(shí)體屬性表（entities owner table， EOT）。該表為每一個(gè)當(dāng)前可用的模型建立對(duì)象級(jí)屬性索引，任何一個(gè)用戶端在編輯某個(gè)實(shí)體之前必須先成為該實(shí)體的屬主。當(dāng)收到來自某用戶端的操作請(qǐng)求后，進(jìn)程管理器首先檢查該操作對(duì)象的屬主信息，如果在模型狀態(tài)表中找不到該操作對(duì)象，則拒絕該請(qǐng)求；若在模型狀態(tài)表中找到該操作對(duì)象，便將請(qǐng)求標(biāo)志與屬主標(biāo)志進(jìn)行匹配，決定提交或拒絕該請(qǐng)求；如果該對(duì)象不存在屬主，則當(dāng)前請(qǐng)求方即是該對(duì)象的屬主。協(xié)同者只有成為對(duì)象的屬主，才是該對(duì)象的合法操作者。

對(duì)象管理器檢查對(duì)象的有效性，負(fù)責(zé)對(duì)象參數(shù)、變動(dòng)時(shí)間、對(duì)象所在站點(diǎn)的管理。

操作管理器將系統(tǒng)用戶操作數(shù)據(jù)生成實(shí)體模型，顯示在當(dāng)?shù)卣军c(diǎn)，根據(jù)數(shù)據(jù)要求可生成復(fù)制副本，數(shù)據(jù)發(fā)生改變后其他站點(diǎn)能實(shí)時(shí)顯示變化情況。

2 虛擬樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)并發(fā)控制策略

協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，當(dāng)多個(gè)操作應(yīng)用于同一個(gè)對(duì)象時(shí)，不一定都會(huì)并發(fā)沖突，如一個(gè)操作實(shí)施拉伸、另一個(gè)操作添加孔、第三個(gè)操作進(jìn)行倒角等，它們都不會(huì)干擾對(duì)方的結(jié)果。只有在操作同一個(gè)對(duì)象且改變相互的執(zhí)行結(jié)果時(shí)才會(huì)并發(fā)沖突，如一個(gè)操作移動(dòng)對(duì)象到原位置的左方200個(gè)單位，同時(shí)另一操作移動(dòng)該對(duì)象到原位置右方300個(gè)單位。通常，協(xié)同設(shè)計(jì)并發(fā)沖突存在以下三種情況：同一對(duì)象不同類型操作；不同對(duì)象同一類型操作；同一對(duì)象同一類型操作[8]。

21 并發(fā)控制機(jī)制

系統(tǒng)的并發(fā)控制由事務(wù)管理器完成，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

事務(wù)生成器：將設(shè)計(jì)者在客戶端的一組交互操作封裝成事務(wù)。如果事務(wù)中無語(yǔ)義，則生成常規(guī)事務(wù)；否則，根據(jù)語(yǔ)義對(duì)結(jié)構(gòu)事務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展，生成嵌套事務(wù)。

事務(wù)分析器：對(duì)傳入的常規(guī)事務(wù)或嵌套事務(wù)進(jìn)行分析，提取出由操作對(duì)象和操作類型構(gòu)成的操作序列。

鎖適配器：對(duì)操作序列進(jìn)行解析，根據(jù)對(duì)象類型和操作性質(zhì)判斷應(yīng)該進(jìn)行何種加鎖，同時(shí)生成由對(duì)象ID和加鎖類型構(gòu)成的對(duì)象加鎖請(qǐng)求序列。

鎖管理器：對(duì)事務(wù)生成的對(duì)象加鎖請(qǐng)求序列進(jìn)行處理。首先判斷當(dāng)前是否存在與該事務(wù)加鎖請(qǐng)求相沖突的鎖。如果沒有沖突存在，鎖管理器通知事務(wù)執(zhí)行器加鎖成功，執(zhí)行事務(wù)；否則，需要進(jìn)行協(xié)調(diào)。

22 并發(fā)控制策略

在協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，并發(fā)控制主要操作兩類實(shí)體——協(xié)同事務(wù)和對(duì)象[9]。協(xié)同事務(wù)是一個(gè)控制過程，在系統(tǒng)中是活動(dòng)實(shí)體，它封裝用戶操作，完成用戶任務(wù)，并確保數(shù)據(jù)的一致性；對(duì)象封裝了屬性和方法，屬性記錄并維護(hù)系統(tǒng)的狀態(tài)，方法則提供了檢測(cè)并修改系統(tǒng)狀態(tài)的手段。

1)事務(wù)結(jié)構(gòu) 基于語(yǔ)義的并發(fā)控制方法主要分為基于事務(wù)語(yǔ)義的并發(fā)控制和基于數(shù)據(jù)類型語(yǔ)義并發(fā)控制兩大類。前者利用了應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)操作及事務(wù)的語(yǔ)義，包括快照驗(yàn)證、嵌套事務(wù)、多層事務(wù)等方法；后者利用模式定義類型及操作方法語(yǔ)義，包括可交換性、序列依賴、可恢復(fù)性等方法。由于協(xié)同事務(wù)具有復(fù)雜性和持久性，使用嵌套事務(wù)封裝各種操作。利用嵌套的事務(wù)結(jié)構(gòu)開發(fā)事務(wù)內(nèi)部的并發(fā)性，每個(gè)子操作對(duì)應(yīng)于一個(gè)子事務(wù)，事務(wù)形成一個(gè)與操作層次相對(duì)應(yīng)的事務(wù)層次關(guān)系。就結(jié)構(gòu)來說，一個(gè)協(xié)同事務(wù)就是一個(gè)事務(wù)樹，以操作為根、以對(duì)象的語(yǔ)義調(diào)用為葉節(jié)點(diǎn)，在客戶端，由葉節(jié)點(diǎn)實(shí)際訪問內(nèi)存中的圖形數(shù)據(jù)庫(kù)，完成對(duì)象的屬性設(shè)置；在服務(wù)器端，葉節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對(duì)象的讀取或持久化。事務(wù)樹上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的事務(wù)工作區(qū)，其中包含了一個(gè)事務(wù)在其執(zhí)行過程中需要訪問的數(shù)據(jù)對(duì)象。子事務(wù)工作區(qū)的共集構(gòu)成了父事務(wù)工作區(qū)的全集或子集，兄弟事務(wù)的工作區(qū)之間不能交疊。

2）事務(wù)提交 因?yàn)槭聞?wù)之間的并發(fā)程度不高，事務(wù)的提交采用樂觀方法。其核心思想是允許事務(wù)先不理會(huì)沖突而運(yùn)行，當(dāng)事務(wù)提交時(shí)才進(jìn)行有效性驗(yàn)證。事務(wù)的運(yùn)行結(jié)果是為對(duì)象生成一個(gè)新的版本。在事務(wù)提交時(shí)，需要根據(jù)一定的規(guī)則進(jìn)行新對(duì)象版本的確認(rèn)，要么保留一個(gè)版本而舍棄其他的版本，要么進(jìn)行版本的合并。

3）鎖機(jī)制 它包含事務(wù)鎖和數(shù)據(jù)鎖。事務(wù)鎖用于執(zhí)行對(duì)象，數(shù)據(jù)鎖用于圖形對(duì)象。子事務(wù)的鎖在子事務(wù)執(zhí)行結(jié)束之后被釋放，而不是像傳統(tǒng)的嵌套事務(wù)模型那樣將鎖傳遞給父事務(wù)。根事務(wù)為其子事務(wù)維護(hù)事務(wù)鎖，直到整個(gè)事務(wù)結(jié)束。這就意味著子事務(wù)的提交獨(dú)立于其上各級(jí)的父事務(wù)，這種方式也有利于盡早檢測(cè)出事務(wù)語(yǔ)義的沖突性。圖形對(duì)象上的數(shù)據(jù)鎖標(biāo)志對(duì)象最終的語(yǔ)義操作，用于版本確認(rèn)時(shí)判斷語(yǔ)義的可交換性，以便確定是否進(jìn)行版本的合并。鎖的實(shí)現(xiàn)方法有三種：

a） 消息交換法。每個(gè)客戶端維護(hù)一個(gè)鎖定對(duì)象隊(duì)列，該隊(duì)列的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。其中：ObjectName是鎖定對(duì)象的名稱；LockTime是鎖定的時(shí)間。同時(shí)假設(shè)設(shè)計(jì)小組中包含成員[user1， user2， …， usern]。

加鎖的實(shí)現(xiàn)： 當(dāng)某個(gè)組員在t1時(shí)刻申請(qǐng)鎖定實(shí)體對(duì)象A，首先將A和t1寫入自身的鎖定隊(duì)列，然后將包含A和t1的詢問消息向設(shè)計(jì)小組內(nèi)其他成員發(fā)送，并進(jìn)入等待狀態(tài)；當(dāng)其他組員收到來自u(píng)ser1的詢問消息后，將A和t1與自身的鎖定對(duì)象隊(duì)列進(jìn)行對(duì)比。如果沒有關(guān)于A的記錄，則將A和t1寫入自身的鎖定對(duì)象隊(duì)列，并向user1發(fā)出認(rèn)可鎖定信息。如果t1＜tn，則在自身的鎖定對(duì)象隊(duì)列中將tn更新為t1；如果t1> tn，并發(fā)出拒絕認(rèn)可鎖定的消息；如果t1= tn，則啟動(dòng)選舉策略，按加入小組的先后順序與該實(shí)體的密切程度規(guī)則確定是否認(rèn)可鎖定。

解鎖的實(shí)現(xiàn)：當(dāng)某個(gè)組員user1決定解除對(duì)實(shí)體A鎖定時(shí)，首先在自身的鎖定對(duì)象隊(duì)列中刪除有關(guān)A的記錄，然后將含有A的解鎖消息發(fā)送給設(shè)計(jì)小組內(nèi)的其他組員；其他組員收到user1關(guān)于對(duì)A的解鎖消息后，在自身的鎖定對(duì)象隊(duì)列中刪除有關(guān)A的記錄。

b） 服務(wù)器仲裁法。服務(wù)器進(jìn)程管理器扮演仲裁角色。每個(gè)組員申請(qǐng)鎖定和解鎖時(shí)，都調(diào)用一個(gè)遠(yuǎn)程操作過程，該遠(yuǎn)程過程負(fù)責(zé)維護(hù)一個(gè)鎖定對(duì)象隊(duì)列，并對(duì)客戶端的鎖定請(qǐng)求進(jìn)行仲裁。該對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。LockUID為鎖定用戶的ID。

加鎖的實(shí)現(xiàn)：由客戶端發(fā)起一個(gè)LockEntity (ObjectName，LockUID)的遠(yuǎn)程操作過程，首先向操作系統(tǒng)申請(qǐng)一個(gè)臨界區(qū)，然后判斷鎖定對(duì)象隊(duì)列中是否有關(guān)于ObjectName的記錄。如果有，則拒絕客戶端的鎖定請(qǐng)求，并向客戶端回復(fù)當(dāng)前鎖定者的ID；否則同意該客戶端的鎖定請(qǐng)求，并回復(fù)請(qǐng)求者的ID，最后退出臨界區(qū)。

解鎖的實(shí)現(xiàn)： 由客戶端發(fā)起一個(gè)UnLockEntity (ObjectName)的遠(yuǎn)程操作調(diào)用；服務(wù)器響應(yīng)該遠(yuǎn)程調(diào)用時(shí)，考慮到對(duì)同一個(gè)實(shí)體對(duì)象的解鎖不可能是并發(fā)的，所以不必向操作系統(tǒng)申請(qǐng)臨界區(qū)，直接在鎖定對(duì)象隊(duì)列中刪除關(guān)于ObjectName的記錄。

c）數(shù)據(jù)庫(kù)仲裁。當(dāng)出現(xiàn)并發(fā)沖突時(shí)，依靠數(shù)據(jù)庫(kù)仲裁沖突的各方。在協(xié)同設(shè)計(jì)成員申請(qǐng)鎖定或解鎖時(shí)，調(diào)用遠(yuǎn)程操作程序，該程序進(jìn)一步調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)的一個(gè)存儲(chǔ)過程。此存儲(chǔ)過程受數(shù)據(jù)庫(kù)事務(wù)的保護(hù)，負(fù)責(zé)維護(hù)鎖定對(duì)象表，并對(duì)并發(fā)客戶端的鎖定請(qǐng)求進(jìn)行仲裁。

加鎖的實(shí)現(xiàn)：客戶端發(fā)起一個(gè)LockEntity (ObjectName， LockUID)的遠(yuǎn)程操作，服務(wù)器調(diào)用一個(gè)LockEntity (ObjectName， LockUID)的數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)程序。該存儲(chǔ)程序執(zhí)行時(shí)，首先啟動(dòng)一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)操作事務(wù)，然后判斷鎖定對(duì)象表中是否有關(guān)于ObjectName的記錄。如果有，則拒絕客戶端的鎖定請(qǐng)求，并通過服務(wù)器向客戶端回復(fù)當(dāng)前鎖定者的ID；否則同意該客戶端的鎖定請(qǐng)求，并通過服務(wù)器回復(fù)請(qǐng)求者的ID，最后結(jié)束事務(wù)。

解鎖的實(shí)現(xiàn)：客戶端發(fā)起一個(gè)UnLock Entity (ObjectName)的遠(yuǎn)程操作，服務(wù)器調(diào)用UnLockEntity(ObjectName)的存儲(chǔ)程序，在鎖定對(duì)象表中刪除關(guān)于ObjectName的記錄，完成解鎖。

3 應(yīng)用實(shí)例

在虛擬樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)的研究中，筆者在機(jī)床夾具協(xié)同設(shè)計(jì)原型系統(tǒng)中應(yīng)用了本文提出的并發(fā)控制策略。原型系統(tǒng)的開發(fā)基于.NET平臺(tái)，運(yùn)用 MDT6 的ActiveX， 以及Automation相關(guān)插件、控件和視頻工具軟件。系統(tǒng)主要分為主服務(wù)器資源管理器、并發(fā)控制模塊和設(shè)計(jì)應(yīng)用模塊三個(gè)部分。主服務(wù)器管理會(huì)話信息和后來者的加入；并發(fā)控制模塊負(fù)責(zé)沖突檢測(cè)、對(duì)象復(fù)制、操作執(zhí)行以及更新對(duì)象狀態(tài)等；應(yīng)用模塊負(fù)責(zé)具體應(yīng)用語(yǔ)句的操作處理。本地節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的操作可以立即執(zhí)行，將執(zhí)行的操作放入本地的操作日志中，同時(shí)將執(zhí)行后的副本復(fù)制到各協(xié)同站點(diǎn)。接收遠(yuǎn)程操作首先與操作日志進(jìn)行比較和沖突判別，若沒有沖突則直接執(zhí)行；否則需要確定沖突類型和相應(yīng)的控制算法。圖5為機(jī)床夾具協(xié)同設(shè)計(jì)主界面。實(shí)例證明，采用本文提出的虛擬樣機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)并發(fā)控制策略，協(xié)同設(shè)計(jì)效率有明顯的提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

協(xié)同虛擬樣機(jī)技術(shù)是并行工程協(xié)同設(shè)計(jì)在虛擬樣機(jī)技術(shù)中的應(yīng)用，是一種新型的產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)。與虛擬樣機(jī)相比，協(xié)同虛擬樣機(jī)技術(shù)具有更多的優(yōu)勢(shì)。協(xié)同設(shè)計(jì)中，基于語(yǔ)義的并發(fā)控制策略采用鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)沖突各方的并發(fā)控制。根據(jù)數(shù)據(jù)要求生成復(fù)制事務(wù)，事務(wù)發(fā)生改變后，其他站點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)顯示圖形和讀取數(shù)據(jù)。實(shí)例證明，本文提出的并發(fā)控制策略較好地實(shí)現(xiàn)了協(xié)同操作的并發(fā)控制，提高了數(shù)據(jù)的一致性。協(xié)同虛擬樣機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)，成功地將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)過程需要系統(tǒng)化方法的指導(dǎo)和相關(guān)技術(shù)工具的支持，這方面的研究與應(yīng)用還處于初級(jí)階段。隨著虛擬樣機(jī)支撐環(huán)境研究的深入，將對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展起到進(jìn)一步的推動(dòng)作用。

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