基于實(shí)時(shí)信號(hào)的實(shí)時(shí)控制軟件進(jìn)程間通信方法研究＊

齊文軍

（91550部隊(duì) 大連 116021)

1 引言

實(shí)時(shí)控制軟件通常是一個(gè)多任務(wù)、多作業(yè)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，通常采用共享內(nèi)存區(qū)、消息隊(duì)列、信號(hào)燈等技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信［1～2］，已有文獻(xiàn)對(duì)進(jìn)程間通信機(jī)制進(jìn)行比較分析［3］以及對(duì)進(jìn)程間信號(hào)通信機(jī)制進(jìn)行分析［4］，上述研究雖然能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)程間信息的傳遞和共享，但缺少一種在任何時(shí)刻都能夠?qū)崟r(shí)地知道當(dāng)前執(zhí)行什么任務(wù)，什么作業(yè)，何時(shí)執(zhí)行等命令以及中斷信號(hào)何時(shí)到達(dá)等信息的聰明機(jī)制。本文根據(jù)Tru64 UNIX操作系統(tǒng)中實(shí)時(shí)信號(hào)的功能特性，建立一種在實(shí)時(shí)控制軟件中進(jìn)程間實(shí)時(shí)傳遞信息的聰明的通信機(jī)制。

2 實(shí)時(shí)信號(hào)機(jī)制分析

2.1 實(shí)時(shí)信號(hào)機(jī)制簡(jiǎn)介［5～6］

信號(hào)是進(jìn)程間通信機(jī)制中唯一的異步通信機(jī)制。信號(hào)機(jī)制主要用于產(chǎn)生、傳送和處理系統(tǒng)中的各種信號(hào)。信號(hào)的建立、傳送和處理都是由軟件實(shí)現(xiàn)的，因此信號(hào)也稱為軟中斷，信號(hào)機(jī)制又稱為軟中斷機(jī)制。根據(jù)實(shí)時(shí)應(yīng)用的特點(diǎn)，Tru64UNIX操作系統(tǒng)在實(shí)時(shí)接口庫(kù)中引入了軟中斷機(jī)制，利用信號(hào)的異步特性來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的實(shí)時(shí)通信，為實(shí)時(shí)軟件的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的支持。

Tru64UNIX操作系統(tǒng)中，POSIX 1003.1b實(shí)時(shí)接口庫(kù)強(qiáng)化了實(shí)時(shí)信號(hào)功能，為實(shí)時(shí)應(yīng)用程序靈活運(yùn)用實(shí)時(shí)信號(hào)創(chuàng)造了條件，其不僅增加了用戶可定義的實(shí)時(shí)信號(hào)數(shù)量，在向進(jìn)程發(fā)信號(hào)時(shí)，建立了信號(hào)排隊(duì)機(jī)制，使得同一信號(hào)的多次發(fā)送可以加以區(qū)分，不會(huì)造成信號(hào)丟失，使進(jìn)程能夠更快地響應(yīng)實(shí)時(shí)信號(hào)的發(fā)送，并提供了向進(jìn)程發(fā)送實(shí)時(shí)信號(hào)的同時(shí)，傳送該信號(hào)的附加信息功能。

2.2 實(shí)時(shí)信號(hào)屏蔽字分析

為了分析實(shí)時(shí)信號(hào)的傳遞機(jī)制，首先要了解具有多線程的進(jìn)程地址空間的分配形式，如圖1所示。

圖1 具有多線程的進(jìn)程地址空間的分配形式

從圖1我們可以看出：1)系統(tǒng)資源是分配給進(jìn)程的，而不是分配給線程的；2)每一個(gè)線程都有自己的寄存器和棧；3)線程共享進(jìn)程資源。

每個(gè)進(jìn)程都有與每個(gè)信號(hào)相關(guān)的信號(hào)屏蔽字，由此屏蔽字來(lái)決定哪些信號(hào)可以傳遞給該進(jìn)程，而哪些信號(hào)在傳遞時(shí)將會(huì)被阻塞。信號(hào)屏蔽字具有繼承性，也就是說(shuō)，當(dāng)父進(jìn)程調(diào)用fork函數(shù)派生子進(jìn)程時(shí)，子進(jìn)程將繼承父進(jìn)程的信號(hào)屏蔽字。信號(hào)屏蔽字的每一位代表一個(gè)信號(hào)，在進(jìn)程中把信號(hào)屏蔽字中的哪一位設(shè)置為“1”，說(shuō)明此屏蔽字所對(duì)應(yīng)的信號(hào)可以傳遞給該進(jìn)程。在設(shè)置信號(hào)屏蔽字之前必須先清空信號(hào)所在的信號(hào)集，否則，將出現(xiàn)段訪問錯(cuò)誤。因此，與每一個(gè)信號(hào)相關(guān)的信號(hào)屏蔽字是分配給進(jìn)程的系統(tǒng)資源，而不是分配給線程的，進(jìn)程中的所有線程共享與每一個(gè)信號(hào)相關(guān)的信號(hào)屏蔽字。

在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)過測(cè)試表明對(duì)如何利用實(shí)時(shí)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間同步通信、以及進(jìn)程中多線程間同步通信有如下結(jié)論：

1)只能在主線程中定義、初始化和設(shè)置信號(hào)屏蔽字。否則，在利用多線程來(lái)接收信號(hào)時(shí)，如果有兩個(gè)或兩個(gè)以上的實(shí)時(shí)信號(hào)同時(shí)或相隔時(shí)間很短到達(dá)時(shí)，進(jìn)程就會(huì)終止，并會(huì)在終端上顯示收到的實(shí)時(shí)信號(hào)。

2)如果是利用實(shí)時(shí)信號(hào)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的同步通信，除了發(fā)送隊(duì)列中信號(hào)排隊(duì)個(gè)數(shù)和1)中的限制之外，沒有其它限制。

2.3 實(shí)時(shí)信號(hào)附加信息分析

Tru64Unix操作系統(tǒng)中的POSIX 1003.1b實(shí)時(shí)擴(kuò)充程序設(shè)計(jì)接口提供了一個(gè)新的sigqueue函數(shù)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)向指定進(jìn)程發(fā)送一個(gè)帶有可選數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)信號(hào)的功能。該函數(shù)定義在signal.h頭文件中，函數(shù)原型為int sigqueue（pid＿t pid，int signal，union sigval sval)；其中，pid是接收signal信號(hào)的接收進(jìn)程；signal是發(fā)送進(jìn)程所發(fā)送的實(shí)時(shí)信號(hào)；sval就是隨信號(hào)所傳遞的附加信息，附加信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為

當(dāng)傳遞的信息為整型時(shí)使用sival＿int變量，傳遞的信息為指針類型時(shí)使用sival＿ptr變量。這樣，就可以針對(duì)該函數(shù)的這一特點(diǎn)，通過傳遞整型或指針型的信息來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的信息傳遞。

在利用fork函數(shù)派生子進(jìn)程的時(shí)候，若沒有使用exec族函數(shù)調(diào)用其它進(jìn)程的映像來(lái)覆蓋此子進(jìn)程的映像，那么父子進(jìn)程之間傳遞附加信息不僅可以是整數(shù)類型的而且也可以是指針類型的；若使用exec族函數(shù)調(diào)用其它進(jìn)程的映像來(lái)覆蓋此子進(jìn)程的映像，那么父子進(jìn)程之間傳遞的附加信息只能是整數(shù)類型的。

原因是每一個(gè)進(jìn)程都有自己的信號(hào)堆棧區(qū)，可以用來(lái)傳遞信號(hào)所附加的指針信息。在利用fork函數(shù)派生子進(jìn)程的時(shí)候，子進(jìn)程復(fù)制了父進(jìn)程的信號(hào)堆棧區(qū)。若沒有利用exec族函數(shù)調(diào)用其它進(jìn)程的映像來(lái)覆蓋此子進(jìn)程的映像，此時(shí)父子進(jìn)程具有相同的信號(hào)堆棧區(qū)，用來(lái)傳遞信號(hào)所附加的指針指向相同的地址空間，因此能在父子進(jìn)程中傳遞指針類型的信息。如果利用exec族函數(shù)調(diào)用其它進(jìn)程的映像來(lái)覆蓋此子進(jìn)程的映像，當(dāng)然信號(hào)區(qū)也被覆蓋。此時(shí)父子進(jìn)程信號(hào)堆棧區(qū)不同，當(dāng)然傳遞附加信息的指針地址也無(wú)法確定，因此就無(wú)法傳遞附加的指針信息，只能傳遞整數(shù)類型的附加信息。經(jīng)上述分析可知，在上述兩種情況下進(jìn)程間都能傳遞整數(shù)類型的附加信息，而傳遞指針型附加信息是有限制的。

3 實(shí)時(shí)信號(hào)在進(jìn)程間通信中的應(yīng)用

根據(jù)實(shí)時(shí)控制軟件進(jìn)程間通信的特點(diǎn)和需求結(jié)合實(shí)時(shí)信號(hào)的功能特性，既可以利用不同的信號(hào)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信，也可以利用同一個(gè)信號(hào)，通過設(shè)置不同的附加信息來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間的通信。本文以整型的附加信息為例簡(jiǎn)單說(shuō)明實(shí)時(shí)信號(hào)在實(shí)時(shí)控制軟件中的應(yīng)用。

在一個(gè)Tru64UNIX操作系統(tǒng)［7～8］中的多進(jìn)程實(shí)時(shí)應(yīng)用系統(tǒng)中，假定進(jìn)程PID1和PID2向進(jìn)程PID3發(fā)送實(shí)時(shí)信號(hào)和附加信息。進(jìn)程PID1需要向進(jìn)程PID3發(fā)送的實(shí)時(shí)信號(hào)為SIGNAL 1＿3（信號(hào)值假定為SIGRTMIN＋2)，隨該信號(hào)傳遞的附加信息表示PID1進(jìn)程的某個(gè)事件產(chǎn)生了。而進(jìn)程PID2需要向進(jìn)程PID3發(fā)送的實(shí)時(shí)信號(hào)為SIGNAL 2＿3（信號(hào)值假定為SIGRTMIN＋3)，隨該信號(hào)傳遞的附加信息表示PID2進(jìn)程的某個(gè)事件產(chǎn)生了。信號(hào)附加信息定義如圖2所示：

圖2 信號(hào)附加信息定義表

通過圖2中附加信息定義，當(dāng)PID1進(jìn)程接收到實(shí)時(shí)信號(hào)SIGNAL 1＿3后，根據(jù)附加信息sval.sival＿int的值就可以判斷出PID1進(jìn)程中哪一個(gè)子信號(hào)產(chǎn)生了，進(jìn)而轉(zhuǎn)向SIGNAL1＿3不同的信號(hào)處理程序。當(dāng)PID3進(jìn)程接收到實(shí)時(shí)信號(hào)SIGNAL2＿3后，根據(jù)附加信息sval.sival＿int的值就可以判斷出PID2進(jìn)程中哪一個(gè)控制信號(hào)產(chǎn)生了，進(jìn)而轉(zhuǎn)向SIGNAL2＿3不同的信號(hào)處理程序。

3.1 實(shí)時(shí)信號(hào)發(fā)送功能設(shè)計(jì)

3.1.1 進(jìn)程PID1發(fā)送信號(hào)

在信號(hào)發(fā)送進(jìn)程PID1中，PID1利用sigqueue函數(shù)向進(jìn)程PID3發(fā)送實(shí)時(shí)信號(hào)SIGNAL1＿3。unistd.h頭文件必須放在所有代碼之前，否則會(huì)影響實(shí)時(shí)性［9～10］，其主要代碼如下：

3.1.2 進(jìn)程PID2發(fā)送信號(hào)

在信號(hào)發(fā)送進(jìn)程PID2中，PID2利用sigqueue函數(shù)向進(jìn)程PID3發(fā)送實(shí)時(shí)信號(hào)SIGNAL2＿3。unistd.h頭文件必須放在所有代碼之前，否則會(huì)影響實(shí)時(shí)性，其主要代碼如下：

3.2 實(shí)時(shí)信號(hào)接收功能設(shè)計(jì)

信號(hào)接收進(jìn)程PID3進(jìn)程使用POSIX 1003.1b定義的sigwaitinfo或sigtimedwait函數(shù)來(lái)接收PID1和PID2進(jìn)程傳來(lái)的信號(hào)，本文以sigwaitinfo為例接收實(shí)時(shí)信號(hào)，其函數(shù)原型為

其中，sigset是PID3進(jìn)程所定義的接收信號(hào)集，內(nèi)容包含PID1和PID2進(jìn)程向PID3進(jìn)程發(fā)送的實(shí)時(shí)信號(hào)SIG1＿3和SIG2＿3，是通過sigaddset函數(shù)增加的。info是存放接收的PID1和PID2進(jìn)程傳過來(lái)的信息，該變量是一個(gè)結(jié)構(gòu)，其中的一個(gè)成員為union sigval si＿value，si＿value同前面講述的sigqueue函數(shù)的第3個(gè)參數(shù)是一樣的，PID1和PID2進(jìn)程傳過來(lái)的附加信息就存放在此變量中。

假設(shè)PID3進(jìn)程所定義的接收信號(hào)集為sigset＿recv＿pid1，存放信息的變量為info＿recv，則PID3進(jìn)程接收PID1和PID2進(jìn)程傳來(lái)信號(hào)，其主要代碼如下：

4 與其它進(jìn)程間通信技術(shù)實(shí)時(shí)性比較

為了驗(yàn)證實(shí)時(shí)信號(hào)在實(shí)時(shí)控制軟件中的實(shí)時(shí)性和可靠性，在測(cè)試平臺(tái)（Tru64UNIX操作系統(tǒng)，1024M 內(nèi)存，667MHz CPU兩個(gè))上對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)和其他進(jìn)行進(jìn)程間通訊技術(shù)（如管道、消息隊(duì)列、共享內(nèi)存)，以20HZ的頻率在進(jìn)程間都傳遞4個(gè)字節(jié)信息和信號(hào)燈是采用給共享區(qū)中計(jì)數(shù)器加1的方法進(jìn)行48小時(shí)測(cè)試。測(cè)試表明，利用這些進(jìn)程間通信技術(shù)進(jìn)行通信沒有發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)或信號(hào)丟失現(xiàn)象，表明這些技術(shù)都是可靠的，在延遲上其測(cè)試結(jié)果如下：

表1 測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表（單位：μs)

從表1可以看出，直接從共享區(qū)讀寫數(shù)據(jù)是最快的，但是為了防止從共享區(qū)讀出臟數(shù)據(jù)，一般需要添加有名信號(hào)燈等互斥鎖來(lái)保證進(jìn)程間數(shù)據(jù)同步，但其缺少一種靈敏機(jī)制，就是無(wú)法實(shí)時(shí)知道何時(shí)數(shù)據(jù)寫入或讀出；使用實(shí)時(shí)信號(hào)不僅提供了一種靈敏機(jī)制，而且其實(shí)時(shí)行為是有保證的，因此傳遞小信息量的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)信號(hào)無(wú)疑是最佳選擇。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際應(yīng)用表明利用實(shí)時(shí)信號(hào)的功能特性為實(shí)時(shí)控制軟件設(shè)計(jì)的進(jìn)程間通信的聰明機(jī)制，與其它進(jìn)程間通信技術(shù)相比，不僅方法簡(jiǎn)單方便，而且更加安全可靠，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性也得到了進(jìn)一步加強(qiáng)，在實(shí)時(shí)軟件設(shè)計(jì)中具有廣泛的實(shí)用價(jià)值。實(shí)際應(yīng)用中還可以使用信號(hào)與其它進(jìn)程間通信技術(shù)相結(jié)合的方法進(jìn)行信息的傳遞，增加進(jìn)程間通信的靈活性和實(shí)時(shí)性。

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