基于TCP/IP的多線程通信及其在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要： 提出了一種在Windows NT下基于TCP/IP協(xié)議的多線程通信的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，在此基礎(chǔ)上給出了多線程通信在蓄電池遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞： 多線程 實(shí)時(shí)性 TCP/IP協(xié)議 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

傳統(tǒng)的應(yīng)用程序都是單線程的，即在程序運(yùn)行期間，由單個(gè)線程獨(dú)占CPU的控制權(quán)，負(fù)責(zé)執(zhí)行所有任務(wù)。在這種情況下，程序在執(zhí)行一些比較費(fèi)時(shí)的任務(wù)時(shí)，就無(wú)法及時(shí)響應(yīng)用戶的操作，影響了應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)性能。在監(jiān)控系統(tǒng)，特別是遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，應(yīng)用程序往往不但要及時(shí)把監(jiān)控對(duì)象的最新信息反饋給監(jiān)視客戶（通過(guò)圖形顯示），還要處理本地機(jī)與遠(yuǎn)程機(jī)之間的通信以及對(duì)控制對(duì)象的實(shí)時(shí)控制等任務(wù)，這時(shí) ，僅僅由單個(gè)線程來(lái)完成所有任務(wù)，顯然無(wú)法滿足監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求。在DOS系統(tǒng)下，這些工作可以由中斷來(lái)完成。而在Windows NT下，中斷機(jī)制對(duì)用戶是不透明的。為此，可引進(jìn)多線程機(jī)制，主線程專門負(fù)責(zé)消息的響應(yīng)，使程序能夠響應(yīng)命令和其他事件。輔助線程可以用于完成其他比較費(fèi)時(shí)的工作，如通信、圖形顯示和后臺(tái)打印等，這樣就不至于影響主線程的運(yùn)行。

１ Windows NT 多線程概述

Windows NT是一個(gè)真正的搶占式多任務(wù)操作系統(tǒng)。在 Windows NT中，啟動(dòng)一個(gè)應(yīng)用程序就是啟動(dòng)該應(yīng)用程序的一個(gè)實(shí)例，即進(jìn)程。進(jìn)程由一個(gè)或多個(gè)線程構(gòu)成，擁有內(nèi)存和資源，但自己不能執(zhí)行自己，而是進(jìn)程中的線程被調(diào)度執(zhí)行。進(jìn)程至少要有一個(gè)線程，當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程時(shí)，就創(chuàng)建了一個(gè)線程，即主線程。主線程可以創(chuàng)建其他輔助線程，由主線程創(chuàng)建的線程又可創(chuàng)建線程。每個(gè)線程都可指定優(yōu)先級(jí)，操作系統(tǒng)根據(jù)線程的優(yōu)先級(jí)調(diào)度線程的執(zhí)行。

Windows NT中使用多線程的方法有三種：

· 使用C多線程庫(kù)函數(shù)；

· 使用CreateThread() 等Win32函數(shù)；

· 使用MFC類。

本文采用第三種方法。在Visual C++5.0 中，MFC應(yīng)用程序用CWinThread 對(duì)象表示線程?；静僮魅缦拢?/p>

· 創(chuàng)建新線程：調(diào)用MFC全局函數(shù)AfxBeginThread （）創(chuàng)建新線程。AfxBeginThread（）啟動(dòng)新線程并返回控制，然后，新線程和調(diào)用AfxBeginThread（）的線程同時(shí)運(yùn)行。它的返回值為指向CWinThread對(duì)象的指針；

· 暫停／恢復(fù)線程：調(diào)用CWinThread類成員函數(shù)SuspendThread（）暫停線程的運(yùn)行，調(diào)用ResumeThread（）成員函數(shù)恢復(fù)線程的運(yùn)行；

· 終止線程：在線程內(nèi)部可調(diào)用全局函數(shù)AfxBeginThread（）終止線程的運(yùn)行，否則，線程執(zhí)行結(jié)束后，線程自動(dòng)從線程函數(shù)返回并釋放線程占有的資源。

２ 基于TCP/IP的多線程編程

TCP/IP是lnternet上廣泛使用的一種協(xié)議，可用于異種機(jī)之間的互聯(lián)。TCP/IP協(xié)議本身是非常復(fù)雜的，然而在網(wǎng)絡(luò)編程中，程序員不必考慮TCP/IP的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，只需利用協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)編程接口Socket（亦稱套接字）即可。在 Windows 中，網(wǎng)絡(luò)編程接口是 Windows Socket它包含標(biāo)準(zhǔn)的Berkley Sockets的功能調(diào)用的集合，以及為 Windows 所做的一些擴(kuò)展。TCP/IP協(xié)議的應(yīng)用一般采用客戶／服務(wù)器模式，面向連接的應(yīng)用調(diào)用如圖１所示。

根據(jù)上述順序調(diào)用函數(shù)建立連接后，通信雙方便可交換數(shù)據(jù)[1]。然而，在調(diào)用帶*號(hào)的函數(shù)時(shí)，操作常會(huì)阻塞，特別是當(dāng)套接字工作在同步阻塞模式（Blocking Mode）時(shí)。這時(shí)，程序無(wú)法響應(yīng)任何消息。為了避免出現(xiàn)這種情況，本文引進(jìn)輔助線程。在執(zhí)行含有可能阻塞的函數(shù)的任務(wù)時(shí)，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建新的線程，專門處理該任務(wù)。主線程把任務(wù)交給輔助線程后，不再對(duì)輔助線程加以控制與調(diào)度。本文分別針對(duì)connect（）、accept（）、receive（）、send（）等可能阻塞的函數(shù)創(chuàng)建了相應(yīng)的線程，如表1所示。

多線程編程常常還要考慮線程間的通信。線程間的通信可以采用全局變量、指針參數(shù)和文件映射等方式。本文采用指針參數(shù)方式。在調(diào)用AfxBeginThread（）函數(shù)時(shí)，通過(guò)傳遞指針參數(shù)的方式在主線程與輔助線程間通信。

AfxBeginThread（）函數(shù)的用法如下：

CWinThread*AfxBeginThread （AFX＿THREADPROC pfnThreadproc，

LPVOID pParam，

int nPriority=THREAD＿PRIORITY＿NORMAL，

UINT nStackSixe=0，

DWORD dwCreateFlags=0，

LPSECURITY＿ATTRIBUTES lpSecurityAttrs=NULL）；

參數(shù)pfnThreadProc指定線程函數(shù)必須如下定義：

UINT MyControllingFunction（LPVOID pParam）； 

參數(shù)pParam 是調(diào)用線程傳遞給線程函數(shù)pfThreadProc的參數(shù)；

其他參數(shù)一般只需采用缺省值。

指針參數(shù)通信方式就是通過(guò)參數(shù)pParam在線程間通信的，它可為指向任何數(shù)據(jù)類型的指針。本文中，定義了一個(gè)名叫EXCHANGE＿INFO的結(jié)構(gòu)如下：

typedef struct

{ SOCKET sServerSocket；

SOCKET *pcCoientSocket；

SOCKADDR＿IN *pClientAddr；

BOOL *pbConnected；

unsigned char *pucBuffer；

int *pnMessageLen；

} EXCHANGE＿INFO；

在需要通信時(shí)，先聲明一個(gè)結(jié)構(gòu)變量，再把變量的指針作為pParam參數(shù)，調(diào)用AfxBeginThread（（AFX＿THREADPROC） CSocketThread：：WaitFor ConnectThread，（LPVOID）＆ m＿Exchangeinfo）函數(shù)即可。

為了利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)編程所具有的模塊性強(qiáng)、便于修改、可移植性好等優(yōu)點(diǎn)，本文還把表1中的線程封裝為父類為CWinThread的自定義類CSocketThread中。還自定義了一個(gè)叫CSocketComm的新類，封裝了一些函數(shù)，如CreateSocket、ConnectToServer、WaitForClient、ReadMessage、SendMessage等，這些函數(shù)屏蔽了面向連接的通信程序的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，如創(chuàng)建、連接、發(fā)送和接收等，在這些函數(shù)里，動(dòng)態(tài)創(chuàng)建輔助線程。

下面以CSocketComm類中的等待客戶連接請(qǐng)求的函數(shù)WaitForClient（）為例，注釋說(shuō)明多線程編程的具體細(xì)節(jié)。

BOOL CSocketComm::WaitForClient

{

if(m＿bConnected)return( TRUE );

／／配置bind函數(shù)的參數(shù)即服務(wù)器的套接字地址結(jié)構(gòu)

SOCKADDR＿IN Addr;

memset(＆Addr,0,sizeof(SOCKADDR＿IN));

Addr．sin＿family=AF＿INET;

ADDR．SIN＿port= htonl(m＿nPort); 

Addr．sin＿addr．s＿addrｒ = htonl(INADDR＿ANY); 

　 ／／將套接字地址結(jié)構(gòu)賦予套接字（綁定），以指定本地半相關(guān)

int nReturnValue;

nReturnValue =::bind( m＿sSserverSocket,( LPSOCKADDR)＆Addr,sizeof (SOCKADDR＿IN )); 

if(nReturnValue == SOCKET＿ERROR)  returu( FALSE );

／／配置傳給WaitForConnectThread線程函數(shù)的參數(shù)m＿Exchangeinfo

m＿Exchangeinfo．sServerSocket = m＿sserverSocket;

m＿Exchangeinfo．psClientSocket = ＆m＿sClientSocket;

m＿Exchangeinfo．pClientAddr = ＆m＿ClientAddr;

m＿Exchangeinfo．pbConnected = ＆m＿bConnected;

　　／／以m＿Exchangeinfo的指針為參數(shù)調(diào)用WaitforConnectThread線程等待客戶端連接

AfxBeginThread((AFX＿THREADPROC)CSocketThread::

WaitForConnectThread,(LPVOID) ＆m＿Exchanginfo); 

returi( TRUE )

}

／／等待連接線程

UINT CSocketThread::WaitForConnectThread(LPVOIDpParam)

{

EXCHANGE＿INFO*pExchangelnfo＝(EXCHANGE＿INFO*) pParam;

int nReturnValue, nClientAddrSize= Sizeof( SOCKADDR＿IN);

／／偵聽連接

nReturnValue=:: listen(pExchangelnfo －＞sServerSocket, 1); 

if( nReturnValue == SOCKET＿ERROR )return(0);

／／阻塞調(diào)用accept，直至有客戶連接請(qǐng)求

 *pExchangelnfo－＞psClitentSocket=:: accept(pExchangelnfo－＞sServerSocket, (LPSOCKADDR) pEchangelnfo －＞pClientAddr,＆nClientAddrSize); 

if(( *pExchangelnfo－＞psClitentSocket)!= INVALID＿SOCKET)

／／通過(guò)pExchangelnfo的指針在線程間通信

 * pExchangelnfo－＞pbConnected TRUE;

return( 0 );



３ 應(yīng)用實(shí)例－高層協(xié)議的設(shè)計(jì)

在電廠和電站中，為了保證安全工作，保護(hù)系統(tǒng)必不可少。保護(hù)系統(tǒng)的電源供應(yīng)通常使用兩種方式。一般情況下，使用交流電系統(tǒng)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行供電；當(dāng)交流電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)立即使用后備的蓄電池系統(tǒng)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行供電。為了對(duì)蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和管理，以保證蓄電池在關(guān)鍵時(shí)刻能正常工作，設(shè)計(jì)了在Windows NT環(huán)境下具有遠(yuǎn)程通訊功能和動(dòng)態(tài)人機(jī)界面的智能蓄電池遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 。該系統(tǒng)由蓄電池智能管理、充電機(jī)控制、母線絕緣在線檢測(cè)、聲光報(bào)警、系統(tǒng)組態(tài)、遠(yuǎn)程通信等子系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池／充電機(jī)智能化遠(yuǎn)程管理和控制，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，具有多媒體報(bào)警、事件處理、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、趨勢(shì)畫面和動(dòng)態(tài)畫面顯示、操作提前提醒等功能。系統(tǒng)框圖如圖2所示。在遠(yuǎn)程通信模塊中，遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)需把監(jiān)控客戶的操作命令及時(shí)傳給本地機(jī)，本地機(jī)根據(jù)命令控制充電機(jī)，使之按照一定的方式工作，而本地機(jī)需定時(shí)向遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)反饋實(shí)時(shí)的充電機(jī)狀態(tài)信息。它們之間的通信是基于TCP/IP的廣域網(wǎng)通信，而且，我們引進(jìn)了多線程機(jī)制以保證系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性。

下面以其中的充電機(jī)控制系統(tǒng)為例談?wù)勅绾问褂肅SocketComm類進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。為簡(jiǎn)單起見，假定本地機(jī)與遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)之間通信的信息僅有下面三種類型：

·本地機(jī)接收到該命令后，控制充電機(jī)按照穩(wěn)壓模式運(yùn)行，輸出電壓為電壓給定值；

·本地機(jī)接收到該命令后，控制充電機(jī)按照穩(wěn)流定時(shí)模式運(yùn)行，輸出電流為電流給定值；

·本地機(jī)向遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)發(fā)送充電機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)（包括輸出電壓、輸出電流、狀態(tài)指示和故障類型指示）。

在基于TCP/IP的面向連接的網(wǎng)絡(luò)通信中，客戶與服務(wù)器之間傳送的是有序可靠的字節(jié)流（Byte Stream），所以程序員有必要在傳輸層TCP上定義自己的高層協(xié)議，設(shè)計(jì)幀結(jié)構(gòu)，將字節(jié)流變成有意義的信息。在CSocketComm類中由AssembleMessage()函數(shù)把數(shù)據(jù)組合成一定的幀結(jié)構(gòu)。幀結(jié)構(gòu)為：

其中＠為幀起始標(biāo)志，＃為幀終結(jié)標(biāo)志

對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)定義如下：

typedef struct

{ int MessageType; ／／信息類型

int ChargerNo; ／／充電機(jī)編號(hào)

int DataNo; ／／數(shù)據(jù)類型

float Data; ／／數(shù)據(jù)

}MessageStruct;

需要通信時(shí)，先聲明一個(gè)MessageStruct變量，根據(jù)信息內(nèi)容對(duì)各成員變量賦值，傳給 AssembleMessage()函數(shù)組合成幀，再調(diào)用SendMessage()函數(shù)發(fā)送給接受方。接受方接到數(shù)據(jù)后，對(duì)數(shù)據(jù)內(nèi)容的解釋，是由CsocketComm類中的AnalyzeMessage()函數(shù)完成的。AnalyzeMessage()函數(shù)返回一個(gè)MessageStruct變量。應(yīng)用程序就可根據(jù)它的各成員變量控制充電機(jī)或動(dòng)態(tài)顯示充電機(jī)的狀態(tài)。

總之，把多線程機(jī)制引進(jìn)通信，有利于提高應(yīng)用程序的實(shí)時(shí)性，充分利用系統(tǒng)資源。對(duì)于大型的工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)，不同的線程完成不同的任務(wù)，也有利于提高程序的模塊化，便于維護(hù)和擴(kuò)展。本文給出了一種在Windows NT下基于TCP/IP協(xié)議的多線程通信的基本方法，根據(jù)該方法進(jìn)行修改和擴(kuò)充，便可設(shè)計(jì)出符合具體應(yīng)用的高質(zhì)量的多線程通信程序。

參考文獻(xiàn)

１ 蔣東興，林鄂華．Windows Socket 網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計(jì)指南．北京：清華大學(xué)出版社,1995

２ Rajagopal Raj,Monica Subodh p．Windows NT4高級(jí)程序設(shè)計(jì)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998

（收稿日期：1999-07-13）