亞線程和動(dòng)態(tài)亞線程樹的設(shè)計(jì)與研究

摘　要：提出了一種對(duì)線程進(jìn)行合理分組的方法,即亞線程技術(shù),并提出了動(dòng)態(tài)亞線程樹的設(shè)計(jì)思想和運(yùn)行機(jī)制。 

關(guān)鍵詞：多線程 亞線程 動(dòng)態(tài)亞線程 

多線程是近年來非常流行的一項(xiàng)編程技術(shù)。尤其是在網(wǎng)絡(luò)傳輸和資源共享軟件的設(shè)計(jì)中,在多媒體的采集和處理、并行計(jì)算、并行處理等方面,更是由于高效性和可靠性要求而使線程技術(shù)得到廣泛使用。多線程技術(shù)保證了程序模塊間的分離度,而且可通過合理劃分功能模塊而減少通信量,實(shí)現(xiàn)廣泛的數(shù)據(jù)共享,從而使系統(tǒng)性能得到很大提高。 

但是,隨著線程數(shù)目的增多,共享數(shù)據(jù)的管理將變得相當(dāng)復(fù)雜。線程的增多導(dǎo)致對(duì)共享數(shù)據(jù)區(qū)的訪問非常頻繁,從而增加了系統(tǒng)的額外開銷。為此,本文提出了基于線程分組的亞線程機(jī)制。 

在設(shè)計(jì)中,只要分組合理,亞線程之間的調(diào)用就不會(huì)過于頻繁,從而可減少多個(gè)線程頻繁訪問共享數(shù)據(jù)而引起的混亂。由此,亞線程機(jī)制可以有效地提高系統(tǒng)性能,同時(shí)保證數(shù)據(jù)的安全。
 
1 亞線程機(jī)制的設(shè)計(jì)思想 

1.1 亞線程和亞線程樹 

亞線程在結(jié)構(gòu)上是基于線程的分組。每個(gè)亞線程由一定數(shù)目的線程和共享數(shù)據(jù)組成。編程時(shí),把互相之間有緊密關(guān)系或存在頻繁通信關(guān)系的線程及共享數(shù)據(jù)分到同一個(gè)亞線程中。亞線程內(nèi)部的互相調(diào)用和通信幾乎不受限制,只有亞線程之間的訪問會(huì)受到一定限制。 

一般說,線程是被個(gè)別創(chuàng)建的。在亞線程機(jī)制中,每個(gè)線程被分到某個(gè)亞線程中,一旦確定,便不再改變。 

總之,亞線程可分為根亞線程和普通亞線程兩類。最基本的亞線程叫根亞線程。若創(chuàng)建線程時(shí)不指定亞線程,該線程就會(huì)自動(dòng)歸屬于根亞線程。除了根亞線程之外的亞線程都是普通亞線程。 

在亞線程機(jī)制中,采用亞線程樹來實(shí)現(xiàn)總體設(shè)計(jì)。亞線程樹是程序中所有亞線程構(gòu)成的樹形結(jié)構(gòu)。在這種樹形結(jié)構(gòu)中,一個(gè)亞線程通常從屬于其它亞線程。所以,在構(gòu)建一個(gè)新的亞線程時(shí),必須指定它從屬于哪個(gè)亞線程。若未指定,則會(huì)自動(dòng)歸屬于根亞線程。這樣,一個(gè)應(yīng)用程序中的所有亞線程最終都會(huì)直接或間接歸屬于根亞線程。亞線程樹結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 亞線程樹狀結(jié)構(gòu)圖

在采用進(jìn)程-線程結(jié)構(gòu)的應(yīng)用程序中,亞線程是介于進(jìn)程和線程之間的中間結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明,由于亞線程的加入,使系統(tǒng)效率得到很大提高。

1.2亞線程機(jī)制的具體實(shí)例

在本課題組完成的863項(xiàng)目《遠(yuǎn)程機(jī)器人控制系統(tǒng)》中采用了進(jìn)程-線程結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上加入了亞線程后,形成進(jìn)程-亞線程-線程機(jī)制。
 
此系統(tǒng)主要功能是:通過圖像傳輸和命令傳輸,對(duì)遠(yuǎn)程機(jī)器人進(jìn)行相應(yīng)控制,并通過加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的即時(shí)加密。系統(tǒng)采用Client/Server結(jié)構(gòu)。表1和表2分別為Server端和Client端的線程和亞線程列表。

表1 Server端的線程和亞線程列表 

表2 Client端的線程和亞線程列表

圖2 遠(yuǎn)程機(jī)器人控制系統(tǒng)Server端亞線程樹結(jié)構(gòu)

圖3 遠(yuǎn)程機(jī)器人控制系統(tǒng)Client端亞線程樹結(jié)構(gòu)

在Client端,程序運(yùn)行后,每連接一個(gè)機(jī)器人站點(diǎn)就建立一個(gè)進(jìn)程。每個(gè)進(jìn)程中的亞線程結(jié)構(gòu)如圖3所示。各亞線程的構(gòu)建方法與Server端類似。 

加入亞線程機(jī)制后,亞線程間的數(shù)據(jù)訪問受到限制。例如文字發(fā)送、接收線程和S/C同步線程基本不訪問加密解密的文件,亞線程管理器甚至可以禁止這些線程去訪問傳輸?shù)奈募Ｓ秩?對(duì)傳輸?shù)囊曨l數(shù)據(jù),除了Server端的圖像采集、壓縮和傳送線程,以及Client端的圖像接收、解壓縮和顯示線程外,不能被其他任何線程訪問。這樣,通過亞線程機(jī)制優(yōu)化了整個(gè)應(yīng)用程序的運(yùn)行,并保證了數(shù)據(jù)的安全。此外,由于主要操作都?xì)w為亞線程內(nèi)部操作,所以,大大提高了程序執(zhí)行的效率。 

1.3 亞線程機(jī)制的特點(diǎn) 

亞線程機(jī)制的特點(diǎn)是,允許對(duì)一個(gè)亞線程中的所有線程同時(shí)操作。例如,可通過調(diào)用相應(yīng)的方法來設(shè)置其中所有線程的優(yōu)先級(jí),也可以啟動(dòng)或阻塞所有線程。 

亞線程機(jī)制的另一重要特點(diǎn)是為安全性提供了很好前提。它通過分組來區(qū)分不同安全級(jí)別的線程,對(duì)不同亞線程中的線程進(jìn)行不同處理,還可以通過亞線程的分層結(jié)構(gòu)來支持不對(duì)等安全措施。在亞線程機(jī)制中,一個(gè)線程只能修改所屬亞線程樹中的其它線程,這種修改包括修改線程優(yōu)先級(jí)別和掛起或喚醒線程等操作。 

由于一個(gè)亞線程只能訪問那些從自己的根亞線程樹分支出來的線程,而不能訪問其他任何線程。因此,可有效保證數(shù)據(jù)的安全。
 
2 動(dòng)態(tài)亞線程樹的運(yùn)行機(jī)制 

動(dòng)態(tài)亞線程樹是對(duì)亞線程機(jī)制的進(jìn)一步優(yōu)化,它通過在亞線程結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上加入亞線程管理器和動(dòng)態(tài)亞線程機(jī)制來實(shí)現(xiàn)。
 
2.1亞線程管理器 

亞線程管理器的功能是對(duì)亞線程進(jìn)行調(diào)控,它獨(dú)立于所有亞線程。 

具體設(shè)計(jì)時(shí),亞線程管理器由一個(gè)表格和一個(gè)控制組件構(gòu)成。表格紀(jì)錄各種信息,具體內(nèi)容隨應(yīng)用程序不同而異。例如,包括亞線程間的交互信息,整個(gè)系統(tǒng)中包含的線程和亞線程名,各線程和亞線程對(duì)應(yīng)的父亞線程名,線程及亞線程之間的通信次數(shù)和頻率等。控制組件則根據(jù)這些信息做出相應(yīng)的調(diào)整。
 
2.2動(dòng)態(tài)亞線程機(jī)制 

大多數(shù)情況下,在線程的整個(gè)生命周期中,基本功能、通信對(duì)象以及處理對(duì)象都較固定,因此,亞線程機(jī)制可以有效地優(yōu)化應(yīng)用程序的執(zhí)行效率。但有時(shí)有些線程的通信對(duì)象不固定,處理的對(duì)象也不固定。如果將這樣的線程永久歸入某一個(gè)亞線程,就會(huì)降低程序的執(zhí)行效率。
 
動(dòng)態(tài)亞線程機(jī)制可以較好地解決這個(gè)問題。動(dòng)態(tài)亞線程機(jī)制的核心是可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整亞線程樹的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。采用這種機(jī)制后,一個(gè)線程調(diào)用其它亞線程中的對(duì)象或者與其他亞線程通信后,相關(guān)線程的標(biāo)識(shí)符和通信次數(shù)會(huì)被根亞線程管理器紀(jì)錄下來。若此后多次發(fā)生類似的通信,亞線程管理器就會(huì)據(jù)此對(duì)亞線程樹進(jìn)行調(diào)整,將該線程歸入聯(lián)系最多的亞線程中。另外,如果兩個(gè)亞線程之間出現(xiàn)頻繁通信,那么亞線程管理器會(huì)經(jīng)過評(píng)測和判斷來合并兩個(gè)亞線程。 

圖4 動(dòng)態(tài)亞線程的運(yùn)行機(jī)制 

圖4是采用動(dòng)態(tài)亞線程機(jī)制時(shí),亞線程樹調(diào)整結(jié)構(gòu)的簡單示例。從圖4中可以看到,亞線程管理器統(tǒng)計(jì)結(jié)果中,線程6和亞線程1中的線程通信為20+15+17=42次,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于與亞線程2內(nèi)部的通信。這種情況下,亞線程管理器通過評(píng)測機(jī)構(gòu)會(huì)得出應(yīng)該調(diào)整結(jié)構(gòu)的判斷,于是將線程6歸入亞線程1中。 

具體說,亞線程的調(diào)整有以下幾種類型: 
①一段時(shí)間內(nèi),T1不屬于Y2,但線程T1和亞線程Y2的通信明顯比較頻繁,這種情況下,T1應(yīng)歸入Y2。 
② 一段時(shí)間內(nèi),線程T1與多個(gè)亞線程的通信都很頻繁,這種情況下應(yīng)將線程T1復(fù)制到那些亞線程中,即在相應(yīng)的亞線程中重新創(chuàng)建與T1相同的線程,并進(jìn)行相應(yīng)規(guī)劃。 
③ 一段時(shí)間內(nèi),兩個(gè)亞線程Y1和Y2的相互通信非常頻繁,則將兩個(gè)亞線程進(jìn)行合并。 

隨著多線程的廣泛應(yīng)用,越來越需要有一種合理的管理機(jī)制來管理多線程以免造成調(diào)度的混亂。
 
亞線程機(jī)制可以有效地管理應(yīng)用程序內(nèi)部多個(gè)線程之間的相互訪問和調(diào)度。對(duì)應(yīng)的樹狀結(jié)構(gòu)保證了數(shù)據(jù)訪問和信息交互的安全。通過動(dòng)態(tài)調(diào)整亞線程內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及整個(gè)亞線程樹的樹狀結(jié)構(gòu),又可以動(dòng)態(tài)優(yōu)化多線程應(yīng)用程序的整體性能。
 
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