關(guān)于線程局部存儲技術(shù)的多通道數(shù)控系統(tǒng)仿真

在多實例多線程情況下，ActiveX 組件的不同實例共享同一全局數(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)實現(xiàn)全局變量的局部化，采用具有大量全局變量的實體仿真代碼實現(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。 

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制代碼互操作規(guī)范，ActiveX 是實現(xiàn)了一些特定接口(例如IDispatch)的標準COM 組件。

COM/ActiveX 規(guī)范已成為軟件業(yè)內(nèi)最重要的工業(yè)標準之一。

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)實現(xiàn)加工仿真，但現(xiàn)有文獻較少涉及多個ActiveX 組件實例的情況。ActiveX 組件采用類似Windows消息運行機制的單套間模型(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)負責線程的同步。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)來實際調(diào)用組件對象，從而實現(xiàn)STA 套間模型。

一個進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 組件實例的情況下，ActiveX 組件的 STA 模型不能保證全局數(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)計的底層基礎(chǔ)技術(shù)，其實質(zhì)是介入全局數(shù)據(jù)創(chuàng)建過程，建立并管理全局數(shù)據(jù)與線程的關(guān)聯(lián)，使得全局數(shù)據(jù)為其關(guān)聯(lián)線程所私有。TLS 原理如圖1 所示。

每個進程擁有一組TLS 槽口(Slot)，每個槽口用序號標識，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)，進程中使用同一個序號的不同線程可指向獨立的局部堆內(nèi)存中進行數(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)獲得線程間相互獨立的數(shù)據(jù)存儲地址。

圖 1 也表明了采用TLS 機制的具有2 個ActiveX 組件實例的運行時軟件內(nèi)存結(jié)構(gòu)，進程分配了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 個獨立的局部堆地址，而這些數(shù)據(jù)在線程內(nèi)卻具有全局數(shù)據(jù)的可訪問性，即每個線程有單獨的全局數(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)用實例

一種基于Z-Buffer 的銑削實體加工仿真算法，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)計為全局變量，但HNC-32 的設(shè)計目標是多通道數(shù)控系統(tǒng)，每個通道都需要一個實體加工仿真組件的實例，由于全局緩存數(shù)據(jù)為所有實例共享，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)用實例界面如圖 2 所示。

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

4 結(jié)束語

基于組件的應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)具有先進性，但在多實例條件下必須實現(xiàn)各實例全局數(shù)據(jù)的獨立性，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。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用性。