摘要：在多平臺操作系統(tǒng)下，共享內(nèi)存的實現(xiàn)存在一些差異，在程序設(shè)計中通常依靠條件編譯來實現(xiàn)，導(dǎo)致軟件耦合性太強，不利于擴充。該文結(jié)合設(shè)計模式中的橋接模式，提出了一種支持多操作系統(tǒng)平臺的共享內(nèi)存程序設(shè)計方案改進的新方法。

關(guān)鍵詞：多平臺；共享內(nèi)存；橋接模式

中圖分類號：TP311 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2012）31-7592-05

在實時控制系統(tǒng)中，大部分系統(tǒng)都要求支持多種操作系統(tǒng)平臺，并且經(jīng)常要進行大量的數(shù)據(jù)交換和共享。進程間的數(shù)據(jù)交換和共享可以采用共享內(nèi)存、管道、發(fā)送消息等幾種方法來直接完成，在這些方法中，共享內(nèi)存能夠很好的實現(xiàn)進程間大容量數(shù)據(jù)的快速交換。在不同操作系統(tǒng)下，共享內(nèi)存的實現(xiàn)存在一些差異，因此，在軟件設(shè)計中經(jīng)常需要判別操作系統(tǒng)的類型，分情況進行實現(xiàn)，這樣極大地降低了軟件的可擴充性和實現(xiàn)細節(jié)對客戶的透明性。本文旨在結(jié)合設(shè)計模式中的Bridge模式，提出了一種多操作系統(tǒng)平臺下，共享內(nèi)存模塊的設(shè)計和實現(xiàn)方法。

1　Bridge模式

Bridge模式的用意是將抽象部分與實現(xiàn)部分分離，使它們都可以獨立的變化。主要適用于以下情況：在類的抽象和它的實現(xiàn)部分之間可以劃分開，相互獨立，還能動態(tài)結(jié)合；類的抽象以及它的實現(xiàn)都應(yīng)該可以通過生成子類的方法加以擴充。結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2　各平臺共享內(nèi)存的實現(xiàn)

共享內(nèi)存（Shared　Memory）是一種在Windows平臺或者Unix平臺下多個進程之間通訊的常用方法?？捎糜谕粋€程序中多個進程之間通訊，也可以用于不同程序之間的信息傳遞。

2.1　Windows平臺下，共享內(nèi)存的實現(xiàn)

在Windows操作系統(tǒng)中，任何一個進程不允許讀取、寫入或是修改另一個進程的數(shù)據(jù)，但是在某個進程內(nèi)創(chuàng)建的文件映射對象的視圖卻能夠為多個其他進程所映射，這些進程共享的是物理存儲器的同一個頁面。因此，當(dāng)一個進程將數(shù)據(jù)寫入此共享文件映射對象的視圖時，其他進程可以立即獲取數(shù)據(jù)變更情況。為了進一步提高數(shù)據(jù)交換的速度，還可以采用由系統(tǒng)頁文件支持的內(nèi)存映射文件而直接在內(nèi)存區(qū)域使用，顯然這種共享內(nèi)存的方式是完全可以滿足在進程間進行大數(shù)據(jù)量數(shù)據(jù)快速傳輸任務(wù)要求的。

具體步驟如下：

在發(fā)送進程中調(diào)用內(nèi)存映射API函數(shù)CreateFileMapping創(chuàng)建一個有名字標(biāo)識的共享內(nèi)存；函數(shù)CreateFileMapping原型如下所示：

HANDLE　CreateFileMapping（HANDLE　hFile，　LPSECURITY_ATTRIBUTES　lpFileMappingAttributes， DWORDflProtect， DWORD　dwMaximumSizeHigh， DWORD　dwMaximumSizeLow， LPCTSTR　lpName?。?；

如果多個進程都要對同一共享內(nèi)存進行寫訪問，則必須保持相互間同步。映射文件還可以指定PAGE_WRITECOPY標(biāo)志，可以保證其原始數(shù)據(jù)不會遭到破壞，同時允許其他進程在必要時自由的操作數(shù)據(jù)的拷貝。

在創(chuàng)建文件映射對象后，發(fā)送端進程調(diào)用MapViewOfFile函數(shù)映射到本進程的地址空間內(nèi)；

接收端進程訪問共享內(nèi)存對象，需要通過內(nèi)存對象名調(diào)用OpenFileMapping函數(shù)，以獲得共享內(nèi)存對象的句柄。然后調(diào)用MapViewOfFile函數(shù)來映射對象視圖。用戶可以使用該對象視圖來進行數(shù)據(jù)讀寫操作，以達到數(shù)據(jù)通訊的目的；

當(dāng)用戶進程結(jié)束使用共享內(nèi)存后，調(diào)用UnmapViewOfFile函數(shù)以取消其地址空間內(nèi)的視圖。

2.2　Unix平臺下，共享內(nèi)存的實現(xiàn)

在發(fā)送端進程中創(chuàng)建一塊共享內(nèi)存，并設(shè)置共享內(nèi)存的大小。

在創(chuàng)建文件映射對象后，發(fā)送端進程將這塊共享內(nèi)存區(qū)映射到本進程的地址空間內(nèi)；

接收端進程訪問共享內(nèi)存對象，步驟同發(fā)送端。

當(dāng)用戶進程結(jié)束使用共享內(nèi)存后，調(diào)用函數(shù)取消其地址空間內(nèi)的視圖。

3　多平臺下，共享內(nèi)存的傳統(tǒng)實現(xiàn)方法

傳統(tǒng)方式下，多平臺共享內(nèi)存的實現(xiàn)主要依靠條件編譯。同一段函數(shù)的實現(xiàn)過程中，針對不同的平臺，要通過條件編譯來實現(xiàn)。也就是說，在實現(xiàn)共享內(nèi)存的類CSharedMemory中，每一個函數(shù)的具體實現(xiàn)，都要使用條件編譯來區(qū)分到底是哪一個平臺。這種情況下，如果要修改某一平臺的程序，會影響其他平臺程序的運行。

下面是CShareMemory類的頭文件Sharedmemory.h：

從以上類CShareMemory的定義及實現(xiàn)過程可以看出，兩種平臺的共享內(nèi)存通過條件編譯來實現(xiàn)，會有很多弊端。比如，修改某一種平臺的程序，使得另一種平臺也不能正常運行，耦合性太強。另外，如果系統(tǒng)要擴充到一種新的平臺運行，會嚴(yán)重影響當(dāng)前的系統(tǒng)運行，可擴展性很差。

4　用橋接模式對實現(xiàn)過程進行改進

利用橋接模式，將類的抽象和實現(xiàn)分開，共享內(nèi)存模塊的主要類的設(shè)計如圖2所示。

改進后，抽象類CShareMemory為應(yīng)用程序提供了共享內(nèi)存具有的一些接口，同時，維護指向CShareMemoryImp類對象的一個指針；CShareMemory定義了實現(xiàn)類的接口；CWinShareMemory是共享內(nèi)存在Windows平臺下的具體實現(xiàn)類；CUnixShareMemory是共享內(nèi)存在Unix平臺下的具體實現(xiàn)類。

改進后類的定義如下：

5　改進后的優(yōu)點

系統(tǒng)改進后主要的優(yōu)點有以下兩點：

極大地提高了程序的可擴充性。如果還有需要將系統(tǒng)移植到新的平臺，只需要再加入新平臺的實現(xiàn)類即可，而模塊對上層提供的接口不需要任何改變，已經(jīng)存在的系統(tǒng)也不會受到影響，大大降低了耦合性。

將接口部分和實現(xiàn)部分分離，分層設(shè)計，可以產(chǎn)生較好的程序結(jié)構(gòu)。對于模塊的調(diào)用者，只需提供接口類即可；對于具體不同平臺的實現(xiàn)，對于調(diào)用者完全是透明的。

6　結(jié)束語

本文對實時控制系統(tǒng)中常用的共享內(nèi)存設(shè)計方案進行改進，在多平臺下，使用橋接模式設(shè)計和實現(xiàn)共享內(nèi)存。通過實時系統(tǒng)開發(fā)中實際應(yīng)用，效果非常好，優(yōu)點很明顯，值得參考。

參考文獻：

[1]　Gamma　E，　Helm　R，　Johnson　R，et　al.設(shè)計模式：可復(fù)用面向?qū)ο筌浖幕A(chǔ)[M].李英軍，馬曉星，蔡敏，等，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[2]　陳傳波，黎蘭，宋荊漢.基于Unix共享內(nèi)存的實時信息發(fā)送模型[J].計算機工程與科學(xué)，2005（8）：78-80.

[3]　張中軍，張忠英.在VC++6.0下利用共享內(nèi)存、消息實現(xiàn)內(nèi)部進程通訊[J].電腦編程技巧與維護，2004（5）：49-52.

[4]　陳亮.一種基于橋接模式的軟件設(shè)計方法和實例分析[J].軟件導(dǎo)刊，2010（7）：104-106.