通過Reentrant Read Write Lock實現導彈遙測系統接收終端小型化的研究

張欽顧仰 鄧 迪 王 宇

（上海航天電子技術研究所,上海 200109）

1 概述

近年來,智能終端設備取得了突飛猛進的發展,Android（以下稱安卓）系統可謂是頭號功臣,居功甚偉。2007年11月5日,谷歌公司首次向外界介紹了安卓系統,使得安卓系統可以進入大家的視野。它基于Linux系統開發,主要用于智能終端設備,例如平板電腦和智能手機。由于其完全開源,導致其傳播非常快,迅速占領了一半以上的市場占有率,成為當下最主流的智能終端設備操作系統。

隨著導彈遙測系統的通用化、小型化要求越來越高,基于ARM的平板電腦硬件平臺成為了新的選項之一。相較于過去的地面測試設備和筆記本的組合,手持平板設備有以下優點:

（1）體積小,便于攜帶,適應復雜多變的作戰環境；（2）成本低,更換方便,提供更好的后勤保障選擇；（3）智能一體化,具有更高的保密性和可靠性。

然而手持平板設備相比傳統筆記本也有一些不足,比如CPU等核心器件的性能沒有筆記本強大,所以為了達到使用要求必須同時使用多核CPU并行處理數據。這就面臨了Java開發中經常出現的高并發問題。為了解決單線程轉多線程帶來的高并發問題,讀寫鎖是一個很好的選擇。

2 多線程加鎖

2.1 高并發問題

與傳統順序執行程序相比,Java并發程序中多線程的線程安全一直是困擾廣大設計師的難題。通常Java在處理數據時都會把變量存在主內存,使用變量時都是把變量拷貝到自己的工作空間進行使用,待使用完后重新賦值回主內存。

圖1 Java內存訪問

但是如果是多核系統架構,就會產生風險。因為每個CPU核都擁有獨立的運算控制器,如果他們同時把同一個變量拷貝到線程內存進行計算,那么計算完成時,后一個線程的回歸值會覆蓋前一個線程的回歸值,造成共享變量不可見,導致出現臟數據和不可預期的結果。

圖2 多線程導致的共享變量不可見

2.2 Synchronized（以下稱同步鎖）的用途

當一個線程讀取內存時同步鎖會給該內存加鎖,直到訪問完畢之后釋放鎖。其他線程如果想要訪問,就會發現內存被鎖上,導致線程被堵塞。這樣做可以保證同時只有一個線程訪問,以此確保數據唯一性。

圖3 Synchronized獨占鎖

3 Reentrant Read Write Lock（以下稱讀寫鎖）原理

同步獨占鎖在保證數據唯一的情況下,會導致其他沒有獲取內部鎖的線程堵塞。如果程序寫入內存次數占比遠遠高于內存讀取次數,使用同步鎖可以有效規避高并發；但是一旦程序讀取內存次數占比遠遠高于內存寫入次數時,線程堵塞會大大影響性能。使用讀寫鎖可以有效解決這個問題。當運用讀寫鎖時,寫入加鎖,其他線程不能讀取和寫入,但是讀取加鎖時,其他線程只是不能寫入,不影響讀取操作,所以讀寫鎖本質上是一種可重入鎖。

由于遙測主要用于接收數據,導致其程序主要讀取數據,僅僅在判斷數據是否正確時需要寫入數據。而讀取操作并沒有必要使用同步鎖,所以讀寫鎖更適合。

圖4 Reentrant Read Write Lock結構

通過讀寫鎖的方法,對讀取和寫入分別設置一個內部鎖,大部分時間讀取鎖都解鎖,只在寫入時加鎖。并且加入了一個狀態機記錄其他的上鎖狀態的對應情況。

public Reentrant Read Write Lock(boolean fair){

sync=fair?new Fair Sync():new Non fair Sync();

reader Lock=new Read Lock(this);

writer Lock=new Write Lock(this);

}

/**Possible state transitions:

*NEW->COMPLETED->RECEIVE正常的上鎖狀態

*NEW->COMPLETED->LAUNCH其他的上鎖狀態

*NEW->STOP停止

*NEW->EXIT關閉

*NEW->INTERRUPTING->INTERRUPTED中斷

*/

private volatile int state;

private static final int RECEIVE=1；

private static final int LAUNCH=2；

private static final int INTERRUPTING=3；

private static final int STOP=4；

private static final int INTERRUPTED=5；

private static final int COMPLETED=6；

private static final int EXIT=7；

當遙測接收數據時,只讀取不寫入,狀態機state=1；當接收一段數據進行數據比對時,開啟寫入鎖,狀態機state=2。由于遙測接收寫入的數據不依賴于當前值,所以可以用volatile替代Synchronized,不僅不會影響線程調度,還能解決重排序問題。

通過分析讀取和寫入的高低權重,將權重排序并分別加鎖和解鎖,做到優先處理高權重請求,優化處理流程的同時保證數據的唯一,并且在出現異常的時候提供中斷功能,確保遙測監控的安全。

4 結束語

本文在同步鎖的基礎上,討論了運用讀寫鎖原理解決ARM芯片多線程高并發的問題,為導彈遙測接收端移植平臺實現小型化提供新的思路和新的方法,為將來的導彈適應多環境高機動作戰提供可行性。

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