張旭彤

摘要：該文論述了一種實(shí)施高效的共享內(nèi)存技術(shù)，它可用于高速磁浮交通仿真中仿真計(jì)算機(jī)或者仿真服務(wù)器內(nèi)部的多進(jìn)程通信管理和信息傳輸，并且能夠滿足磁浮仿真環(huán)境中三層硬件架構(gòu)（頂層工作站、中間層服務(wù)器、底層管理計(jì)算機(jī)）之間的網(wǎng)絡(luò)通信要求，以完成對(duì)磁浮功能軟件的測(cè)試與驗(yàn)證。在統(tǒng)一的報(bào)文格式下，該共享內(nèi)存技術(shù)使用配置文件記錄通信節(jié)點(diǎn)的起始端口和IP地址等信息，確保了通信進(jìn)程的獨(dú)立性和實(shí)時(shí)性。此外，選取共享內(nèi)存技術(shù)以實(shí)現(xiàn)仿真環(huán)境中應(yīng)用層和通信層之間的數(shù)據(jù)傳輸，提高仿真環(huán)境處理數(shù)據(jù)的效率，確保高速磁浮交通仿真的傳輸性能。

關(guān)鍵詞：多進(jìn)程通信；共享內(nèi)存技術(shù)；高速磁浮交通仿真；網(wǎng)絡(luò)通信

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）26-0248-02

1研究背景

為了實(shí)現(xiàn)高速磁浮交通仿真中仿真計(jì)算機(jī)或仿真服務(wù)器內(nèi)部的信息傳輸或者數(shù)據(jù)傳輸，以完成對(duì)本機(jī)所運(yùn)行的磁浮功能軟件進(jìn)行環(huán)境故障注入條件下的系統(tǒng)功能和性能的測(cè)試與驗(yàn)證，需要使用一種可在多進(jìn)程之間切換的高效通信技術(shù)。高速磁浮仿真的硬件架構(gòu)分為三層：底層是子系統(tǒng)仿真管理計(jì)算機(jī)，中間層是仿真支撐服務(wù)器，頂層是工作站仿真計(jì)算機(jī)。由于仿真環(huán)境通過(guò)以太網(wǎng)相連，網(wǎng)絡(luò)中的每一臺(tái)機(jī)器不僅作為一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息傳輸，而且需要與多種類的磁浮功能軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。共享內(nèi)存技術(shù)作為最高效的本機(jī)進(jìn)程間通信技術(shù)，可以快速地將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)映射到多個(gè)不同的進(jìn)程中。因此，在磁浮交通仿真環(huán)境中使用共享內(nèi)存技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)仿真計(jì)算機(jī)內(nèi)部的多進(jìn)程通信，還可以提高仿真環(huán)境處理數(shù)據(jù)的效率，減少信息傳遞或者故障注入的響應(yīng)時(shí)間，確保高速磁浮交通仿真的傳輸性能。

2 影響因素分析

由于高速磁浮交通仿真的功能特性與通信要求，數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院蛯?shí)時(shí)性是通信時(shí)的重中之重。而且仿真環(huán)境中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的端口信息、數(shù)量、IP地址等需要根據(jù)通信需求進(jìn)行改變，因此通過(guò)對(duì)仿真環(huán)境中通信節(jié)點(diǎn)的信息傳輸要求分析，可以得到數(shù)據(jù)通信需具有以下特點(diǎn)：

1） 高速磁浮交通仿真環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳輸是大批量、高頻率的，具體的要求要視仿真設(shè)備終端采集數(shù)據(jù)的頻率和請(qǐng)求發(fā)送的頻率而定；

2） 數(shù)據(jù)傳輸要具有實(shí)時(shí)性，將仿真設(shè)備采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳給網(wǎng)絡(luò)中的通信層，并且對(duì)異常或者陳舊數(shù)據(jù)進(jìn)行清除；

3） 仿真環(huán)境中磁浮計(jì)算機(jī)與通信節(jié)點(diǎn)采用“一對(duì)多”的關(guān)系；

4） 通信節(jié)點(diǎn)的端口信息、地址等可能改變，需要手動(dòng)配置通信節(jié)點(diǎn)的信息；

5） 為了維護(hù)磁浮仿真環(huán)境的可擴(kuò)展性，通信節(jié)點(diǎn)可能發(fā)生增加或刪除的情況，需要對(duì)通信節(jié)點(diǎn)做增刪操作。

3 方案設(shè)計(jì)

在高速磁浮交通仿真環(huán)境中，每一臺(tái)計(jì)算機(jī)中的軟件架構(gòu)分為通信層與應(yīng)用層。通信層進(jìn)程主要負(fù)責(zé)為應(yīng)用層和其他通信節(jié)點(diǎn)提供通信服務(wù)，并且監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的通信狀態(tài)，定時(shí)記錄通信日志等；應(yīng)用層進(jìn)程即為環(huán)境中各個(gè)磁浮模塊運(yùn)行的磁浮功能軟件，與用戶及通信層進(jìn)程進(jìn)行交互。為了確保高速磁浮交通仿真的傳輸性能，本機(jī)間進(jìn)程通過(guò)共享內(nèi)存方式進(jìn)行通信，并且同時(shí)為通信層與應(yīng)用層提供可讀寫的共享內(nèi)存接口，將共享內(nèi)存技術(shù)封裝為DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的方式分別提供給通信層與應(yīng)用層以完成進(jìn)程間的交互。其次，使用Windows系統(tǒng)的Initialization File（.ini文件）對(duì)可變化的通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置和管理。

3.1 共享內(nèi)存技術(shù)

高速磁浮交通仿真的共享內(nèi)存技術(shù)采用一種“主—從式”的技術(shù)架構(gòu)。在高速磁浮交通仿真計(jì)算機(jī)中，共享內(nèi)存同時(shí)提供給計(jì)算機(jī)中的通信層和應(yīng)用層，由通信層進(jìn)行統(tǒng)一地新建和管理，應(yīng)用層只能發(fā)送請(qǐng)求以獲得對(duì)共享內(nèi)存的讀寫權(quán)限。共享內(nèi)存技術(shù)主要是通過(guò)內(nèi)存映射文件的方式進(jìn)行工作，內(nèi)存映射文件通過(guò)將文件內(nèi)容復(fù)制給虛擬地址空間，通過(guò)互斥鎖管理內(nèi)存的讀寫情況，完成多進(jìn)程之間的通信。當(dāng)內(nèi)存映射文件被創(chuàng)建后，需要通信的線程分別將此對(duì)象載入自己的地址空間。此過(guò)程完成后，對(duì)此塊內(nèi)存的讀寫會(huì)實(shí)時(shí)的反映到另一個(gè)使用此共享內(nèi)存的進(jìn)程中。

共享內(nèi)存技術(shù)以DLL動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中函數(shù)的形式提供給通信層與應(yīng)用層。載入動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件并成功調(diào)用相應(yīng)的初始化函數(shù)之后，進(jìn)程便有了對(duì)相應(yīng)共享內(nèi)存的讀寫權(quán)限。當(dāng)有報(bào)文到達(dá)時(shí)，進(jìn)程將報(bào)文傳給對(duì)應(yīng)的共享內(nèi)存塊（從對(duì)應(yīng)的共享內(nèi)存塊中取出）。在每一個(gè)共享內(nèi)存塊中，使用互斥鎖Mutex控制一個(gè)進(jìn)程內(nèi)多個(gè)線程對(duì)其的使用權(quán)。當(dāng)某一個(gè)線程對(duì)共享內(nèi)存塊進(jìn)行讀（寫）操作時(shí)，將Mutex置為鎖狀態(tài)，使其他調(diào)用相同共享內(nèi)存塊的線程置為阻塞狀態(tài)，直到該讀（寫）操作結(jié)束并且Mutex為解鎖狀態(tài)，再將內(nèi)存塊的使用權(quán)交給其他線程。在每一個(gè)共享內(nèi)存塊中，使用事件Event實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存的讀寫同步機(jī)制。當(dāng)某一個(gè)“寫入”共享內(nèi)存塊的Mutex為解鎖狀態(tài)并且內(nèi)存內(nèi)容為空時(shí)，則將SetEvent（）函數(shù)置為掛起狀態(tài)，等待線程的調(diào)用以及寫操作的信號(hào)。當(dāng)某一個(gè)“讀出”共享內(nèi)存塊的Mutex為解鎖狀態(tài)并且內(nèi)存內(nèi)容不為空時(shí)，無(wú)需線程調(diào)用自動(dòng)將SetEvent（）函數(shù)置為發(fā)信號(hào)狀態(tài)以進(jìn)行讀操作。直到線程讀取完畢，解除發(fā)信號(hào)狀態(tài)以實(shí)現(xiàn)讀寫同步機(jī)制。通過(guò)實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存的讀寫同步機(jī)制，可以大大提高進(jìn)程通信的實(shí)時(shí)性以保證磁浮仿真環(huán)境的傳輸效率。

3.2 共享內(nèi)存代理

在高速磁浮仿真環(huán)境中，由于通信節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較多并且具有不確定性，對(duì)建立的大量共享內(nèi)存塊進(jìn)行查找會(huì)降低進(jìn)程通信的傳輸效率，進(jìn)程可能會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間查找對(duì)應(yīng)的共享內(nèi)存塊，即使該共享內(nèi)存塊可能早以銷毀。因此在建立一組共享內(nèi)存塊的基礎(chǔ)上，此共享內(nèi)存技術(shù)同時(shí)建立一個(gè)共享內(nèi)存代理Container。

共享內(nèi)存代理Container將所有的共享內(nèi)存塊組成一個(gè)Map，并且以窗口的形式存儲(chǔ)。共享內(nèi)存代理存儲(chǔ)共享內(nèi)存塊的數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和地址指針等信息。進(jìn)程只需提供通信節(jié)點(diǎn)名稱以及收發(fā)地址即可調(diào)用共享內(nèi)存代理，使用對(duì)應(yīng)的共享內(nèi)存塊進(jìn)行通信。同時(shí)共享內(nèi)存代理使用3.1中的互斥體Mutex控制多進(jìn)程對(duì)共享內(nèi)存塊的讀寫操作。共享內(nèi)存代理使用事件Event維護(hù)共享內(nèi)存塊的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)Mutex為鎖狀態(tài)時(shí)，代理向特定的共享內(nèi)存塊發(fā)送Event信號(hào)，將共享內(nèi)存塊置為“讀（寫）”狀態(tài)或者返回共享內(nèi)存塊不存在或錯(cuò)誤信號(hào)給進(jìn)程。

此外，共享內(nèi)存塊在建立的時(shí)候需要存儲(chǔ)名稱、ip地址、是否記錄日志等各種各樣的信息，但是共享內(nèi)存代理只存儲(chǔ)內(nèi)存塊的指針信息、是否可以讀寫的狀態(tài)等少量信息。所以進(jìn)程只需要提供少量的信息就可以調(diào)用共享內(nèi)存代理，讓代理去處理讀寫的問(wèn)題，進(jìn)程只需等待反饋即可。因此，使用共享內(nèi)存代理解決了查找大量共享內(nèi)存塊所帶來(lái)的效率降低問(wèn)題，加快了進(jìn)程讀寫的速度。

3.3 配置文件

共享內(nèi)存使用Windows系統(tǒng)的Initialization File（.ini文件）對(duì)通信節(jié)點(diǎn)的端口信息、端口數(shù)量、起始地址、IP地址等其他信息進(jìn)行配置和管理。由于高速磁浮交通仿真使用P2P通信協(xié)議作為通信架構(gòu)，因此每一臺(tái)仿真計(jì)算機(jī)都擁有多個(gè)不同功能的通信節(jié)點(diǎn)。共享內(nèi)存通過(guò)讀取.ini文件中通信節(jié)點(diǎn)信息，使用CreateFileMapping（）創(chuàng)建文件映射，新建出通信結(jié)點(diǎn)數(shù)量的兩倍的共享內(nèi)存塊。通過(guò)讀取通信節(jié)點(diǎn)的名稱，為每一個(gè)通信節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)“讀出”共享內(nèi)存塊和一個(gè)“寫入”共享內(nèi)存塊，并且每一個(gè)共享內(nèi)存塊使用MapViewOfFile（）或MapViewOfFileEx（）函數(shù)，將文件映射到調(diào)用的進(jìn)程地址空間中。用戶只需要修改文本信息即可達(dá)到增刪改共享內(nèi)存的效果，以此提高了共享內(nèi)存技術(shù)的高效性。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)共享內(nèi)存的設(shè)計(jì)方案，編寫對(duì)應(yīng)的.ini配置文件，將共享內(nèi)存技術(shù)封裝為DLL文件提供給通信層和應(yīng)用層之后，在傳輸速率為100Mbps的局域網(wǎng)中進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，得到結(jié)果如下表：

5 結(jié)束語(yǔ)

文中論述的共享內(nèi)存技術(shù)確保了高速磁浮交通仿真環(huán)境可以實(shí)時(shí)高效的進(jìn)行進(jìn)程間通信，實(shí)現(xiàn)了頂層工作站、中層服務(wù)器與底層管理計(jì)算機(jī)之間的進(jìn)程交互要求，并且在傳輸大量數(shù)據(jù)的前提下，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扰c效率。同時(shí)通信層與應(yīng)用層完全互相獨(dú)立，通信節(jié)點(diǎn)可根據(jù)用戶需求靈活配置，極大地增加了該共享內(nèi)存技術(shù)的可擴(kuò)展性，為今后的磁浮仿真環(huán)境的通信需求調(diào)整、通信節(jié)點(diǎn)增刪提供了良好的基礎(chǔ)。并且該共享內(nèi)存技術(shù)不僅適用于此磁浮仿真環(huán)境中，還可應(yīng)用于類似的交通局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信中。

參考文獻(xiàn)：

[1] Ivar Jacobson， Martin Griss， Patrik Jonsson. Software Reuse—Architecture， Process and Organization for Business Success[M]. Addison Wesley Longman， 1997.

[2] 汪翔， 袁輝. Visual C++實(shí)踐與提高（網(wǎng)絡(luò)編程篇） [M]. 北京： 中國(guó)鐵道出版社， 2001.

[3] 余可曼， 陳平， 金連甫. 網(wǎng)絡(luò)通信中間件的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)工程， 2001， 27（5）.

[4] Gary B Shelly， Thomas J Cashman， Harry J Rosenblatt.系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)教程[M]. 李芳， 朱群雄， 陳軼群， 等，譯.北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2004.

[5] 梁庚， 白焰. Windows下進(jìn)程間通信方式探討[J]. 微型電腦應(yīng)用， 2006， 22（12）.

[6] 馬魁濤， 蔡穎， 郭寶峰. Win32進(jìn)程間信息共享的實(shí)現(xiàn)方法研究[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件， 2007， 23（12）.

[7] 周偉明. 多核計(jì)算與程序設(shè)計(jì)[M]. 武漢： 華中科技大學(xué)出版社， 2009.