一種實時監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步問題的改進方法

摘 要:針對實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)普遍存在的數(shù)據(jù)同步問題提出改進方法，利用Windows內(nèi)核對象的特性編程設(shè)計了共享鎖類，并與未使用鎖、使用互斥鎖兩種情況進行時序比較，結(jié)果表明共享鎖在同步數(shù)據(jù)和優(yōu)先保證寫者效率方面具有明顯的優(yōu)越性。這些特性使共享鎖在工業(yè)控制級別的實時軟件系統(tǒng)中具有重要的現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞:數(shù)據(jù)同步共享鎖實時數(shù)據(jù)監(jiān)控

中圖分類號:TM73文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)05(c)-0018-01

1 引言

在工控組態(tài)軟件領(lǐng)域，普遍存在一個稱作讀者寫者的問題，即對某些資源的訪問，存在兩種可能的情況，一種訪問必須是排他的，稱作寫操作;另一種訪問可以是共享的，稱為讀操作。對于一個實時數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)來說，由于Windows是一個多任務(wù)搶占式的操作系統(tǒng)，在多個線程共同訪問一個數(shù)據(jù)區(qū)的環(huán)境下，會產(chǎn)生數(shù)據(jù)同步的問題。比如:有提供數(shù)據(jù)的服務(wù)程序A和若干界面顯示程序B、C、D等。服務(wù)程序和顯示程序共同使用一塊數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)E，其中服務(wù)程序負責(zé)更新內(nèi)存數(shù)據(jù)(寫操作)，而顯示程序則定時訪問內(nèi)存區(qū)數(shù)據(jù)(讀操作)。假設(shè)數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)E中變量的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為:

FILETIMEftTime;//時間

DWORD dwValue;//值

那么，在B剛讀取完某個變量的ftTime值后，插入了A的寫操作，這時候再讀取到的dwValue值就和ftTime不一致了。這種不一致的現(xiàn)象必須通過數(shù)據(jù)同步來避免。所以，對內(nèi)存區(qū)E的讀寫訪問必須作以下兩個約束:

1)A正在進行寫操作時，B、C、D必須等待該操作完成才能訪問E;約束條件(1)

2)B、C、D正在訪問E時，A 必須等待該操作完成才對E進行寫操作;約束條件(2)

以上約束可以簡單的歸納為:讀寫互斥。

2 一般解決方法

在Windows下，系統(tǒng)提供了事件、互斥量、信號量等核心對象以及一些等待函數(shù)來進行多線程同步。單獨使用這些核心對象均能夠?qū)崿F(xiàn)讀寫的互斥。

但是單純的實現(xiàn)讀寫互斥并不能完全滿足實時監(jiān)控系統(tǒng)對訪問效率的要求。因為讀操作的并發(fā)并不會引起數(shù)據(jù)的不同步，為了提高效率，必須在之前的兩個約束的基礎(chǔ)上增加讀寫訪問的另一約束，即約束(3):B、C、D能夠同時訪問E。

3 共享鎖

3.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

利用Windows內(nèi)核對象的特性，可以編程實現(xiàn)滿足上述三點約束條件的共享鎖類。

共享鎖的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)由讀事件、寫事件、互斥對象和讀者計數(shù)組成。

其中，讀、寫事件是一對命名的、手動重置的事件，初始化為有信號狀態(tài)。事件可以使用Windows Api函數(shù)CreateEvent、ResetEvent和SetEvent 來創(chuàng)建、重置和置位。這對事件成員的作用是實現(xiàn)讀寫的互斥。

共享鎖中的互斥對象是一個初始化無所有者的命名互斥量。互斥量可以使用CreateMutex、WaitForSingleObject和ReleaseMutex來創(chuàng)建、進入和離開?；コ鈱ο笤诠蚕礞i中的作用有兩個:對寫操作進行保護，保證一個時刻內(nèi)只有一個線程在進行寫操作;在多個讀線程中保護讀者計數(shù)，保證所有讀線程中對讀者計數(shù)的操作都是原子操作。

讀者計數(shù)實際上是一片命名的內(nèi)存區(qū)，可以用CreateFileMapping和MapViewOfFile來創(chuàng)建和映射該內(nèi)存區(qū)。讀者計數(shù)用于對同一時刻內(nèi)的并發(fā)讀操作進行管理。

3.2 讀寫操作流程

3.2.1 寫操作

數(shù)據(jù)服務(wù)A在對數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)E進行寫數(shù)據(jù)操作時，首先重置寫事件。這時候?qū)懯录闊o信號狀態(tài)，這就意味著B、C、D等讀線程將在“等待 寫”這一步中掛起，不再進行讀操作。接下來A將等待讀事件，如果之前時刻已經(jīng)有若干線程在進行讀操作，那么A將等到這些操作完成后進入互斥對象。這就意味著A已經(jīng)獨占了內(nèi)存區(qū)E這塊資源，可以放心地進行寫操作了。

在A完成寫操作后，首先離開互斥對象，釋放之前獨享的這塊資源，再置位寫事件，讓B、C、D等讀線程結(jié)束掛起狀態(tài)，進行讀操作。

3.2.2 讀操作

假設(shè)B線程某一時刻想以讀者的身份訪問數(shù)據(jù)區(qū)，B首先等待寫事件，如果寫操作正在進行，那么B將被掛起直到寫操作完成。接下來B將訪問讀者計數(shù)，如果讀者計數(shù)為0，B將重置讀事件;否則意味著在前一時刻已經(jīng)有另外的讀者(C或者D)已經(jīng)重置了讀事件，B將讀者計數(shù)自增后直接進入讀操作。當(dāng)然，在訪問讀者計數(shù)的整個過程中都使用互斥對象對計數(shù)進行保護。

在完成讀操作后，B再次訪問讀者計數(shù)字，如果發(fā)現(xiàn)此時B已經(jīng)是最后一位讀者(計數(shù)=1)，B將置位讀事件，計數(shù)自減后退出。

4 比較和結(jié)果

4.1 實驗平臺的搭建

創(chuàng)建一個寫者線程，三個讀者線程，同時運行。在每個線程內(nèi)，記錄下每次操作的性質(zhì)(讀或?qū)?、操作時間和操作者(線程)，保存到日記文件中，是為原始數(shù)據(jù)。分三次進行實驗:1無數(shù)據(jù)同步;2使用互斥對象進行數(shù)據(jù)同步;3使用文中所述共享鎖進行數(shù)據(jù)同步。

4.2 比較和結(jié)果

未使用鎖情況下，由于Windows是搶占式的操作系統(tǒng)，A、B、C、D四個進程將對E資源進行無序的競爭。

使用了互斥鎖情況下，在B、C、D的讀周期內(nèi)不可能再出現(xiàn)值被A修改的情況。但是這樣的數(shù)據(jù)同步的缺陷也是明顯的:在B的讀周期內(nèi)A、C和D都在掛起等待狀態(tài)，消耗了不必要的時間;另外，在這樣的數(shù)據(jù)同步模式下，讀者和寫者的地位是平等的，A作為數(shù)據(jù)的提供者卻必須要和B、C、D同等的去搶占資源，而且讀者越多負擔(dān)越重，是一種很不合理的作法。同樣，在B、C、D的讀周期內(nèi)數(shù)據(jù)不會被A改動，解決了數(shù)據(jù)同步的問題。另外，B、C、D可以并發(fā)進行，因為多個讀者訪問不會對資源E造成破壞，避免了A不必要的等待時間，提高了效率。

更重要的是，共享鎖對讀者和寫者的權(quán)限進行了區(qū)分:寫者優(yōu)先于讀者訪問共享資源。這是因為任意時刻下A想對資源E進行寫操作時都會重置寫事件，這時試圖進行讀操作的其他讀者就被迫進入等待狀態(tài)，A只需要等待前一時刻已經(jīng)進入讀周期的進程完成操作。這就保證了服務(wù)程序A的工作效率，也就是保證數(shù)據(jù)的實時性。

5 結(jié)語

綜上所述，共享鎖具有同步數(shù)據(jù)和優(yōu)先保證寫者效率的工作特性。這些獨特的工作使得這樣的共享鎖在工業(yè)控制級別的實時軟件系統(tǒng)中具有很重要的現(xiàn)實意義。在實時數(shù)據(jù)庫、實時監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)報警系統(tǒng)等領(lǐng)域的軟件開發(fā)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻

[1]Jeffrey Richter. Windows核心編程[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008，5.