基于D-Bus技術(shù)的地震作業(yè)管理架構(gòu)設(shè)計(jì)

陳 楠

(中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 211103)

基于D-Bus技術(shù)的地震作業(yè)管理架構(gòu)設(shè)計(jì)

陳 楠

(中國(guó)石油化工股份有限公司石油物探技術(shù)研究院，江蘇 南京 211103)

油氣地球物理軟件研發(fā)隨著勘探領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步面臨著越來越大的壓力。通過對(duì)Windows和Linux系統(tǒng)下進(jìn)程間通信機(jī)制和技術(shù)的研究與試驗(yàn)，描述了一個(gè)基于D-Bus技術(shù)的單機(jī)多任務(wù)并行處理軟件架構(gòu)。結(jié)合對(duì)油氣地球物理勘探領(lǐng)域地震數(shù)據(jù)批量處理的需求調(diào)研,進(jìn)行了兩種操作系統(tǒng)下的D-Bus兼容試驗(yàn)，并結(jié)合試驗(yàn)成果設(shè)計(jì)了針對(duì)地震批處理作業(yè)管理的框架結(jié)構(gòu)，以“自頂向下，分工明確，高聚合，低耦合”的設(shè)計(jì)原則，編寫了相應(yīng)的程序，研發(fā)了一套批量處理軟件產(chǎn)品。通過在實(shí)際地震勘探室內(nèi)生產(chǎn)中的應(yīng)用測(cè)試結(jié)果表明，該產(chǎn)品具備良好的跨平臺(tái)特性，從運(yùn)行速度、硬件資源的利用率以及系統(tǒng)穩(wěn)定性方面較以前的單機(jī)單任務(wù)實(shí)時(shí)處理模式有顯著的提高，解決了進(jìn)程并發(fā)處理模式下導(dǎo)致的系統(tǒng)資源不足的瓶頸問題。

D-Bus；批處理；并行；Qt；架構(gòu)

0 引 言

大數(shù)據(jù)量任務(wù)處理一直是地球物理軟件研發(fā)面臨的重要技術(shù)難題。在生產(chǎn)領(lǐng)域，調(diào)試參數(shù)與后續(xù)的批量計(jì)算往往是先后關(guān)系，在科研領(lǐng)域里也是一樣，不同之處在于科研階段的測(cè)試數(shù)據(jù)往往相對(duì)較小，批量運(yùn)算不影響交互操作，所以許多專業(yè)功能軟件在開發(fā)初期將軟件的執(zhí)行模式設(shè)計(jì)為實(shí)時(shí)批處理，即用戶交互操作的同時(shí)同一進(jìn)程進(jìn)行批量處理工作，這種模式的優(yōu)點(diǎn)在于開發(fā)周期短、工程進(jìn)度快，可以將開發(fā)重點(diǎn)偏重于功能(地球物理)算法研發(fā)方面，從而忽略了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

隨著近年來野外勘探技術(shù)的快速發(fā)展，高精度、高密度、高覆蓋次數(shù)地震采集技術(shù)的進(jìn)步[1]，使得地震數(shù)據(jù)日趨龐大?，F(xiàn)狀是，在算法不變、數(shù)據(jù)量逐漸增大的過程中，傳統(tǒng)的單機(jī)單任務(wù)批量處理模式存在幾個(gè)方面的問題：

(1)硬件資源沒有得到合理的使用；

(2)交互-批處理爭(zhēng)奪有限的硬件資源，增加了操作系統(tǒng)的資源分配周期，導(dǎo)致應(yīng)用程序運(yùn)行效率降低；

(3)常有內(nèi)存不足的情況發(fā)生，使得應(yīng)用程序異常退出，影響生產(chǎn)進(jìn)度。

1 需求調(diào)研

“疊前疊后聯(lián)合解釋軟件“是一套集實(shí)時(shí)疊前分析、偏移距/入射角部分疊加、AVO屬性分析及儲(chǔ)層方位各向異性分析等功能于一體的疊前流體識(shí)別和裂縫檢測(cè)工具，軟件工程方面的特點(diǎn)是集交互分析、批量處理為一體的系統(tǒng)。針對(duì)引言中提出的幾個(gè)問題，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)項(xiàng)目，某工區(qū)4個(gè)方位的CRP疊前道集數(shù)據(jù)所占用磁盤空間約4*500 G=2 TB大小。內(nèi)存使用情況方面，在不考慮優(yōu)化的條件下，進(jìn)程導(dǎo)入該數(shù)據(jù)道頭字所占用內(nèi)存空間約600 M，按采樣時(shí)間4 000 ms，采樣間隔1 ms，最大覆蓋次數(shù)為512次的一個(gè)3×3宏面元占用約(3×3×512×4 000)×4 Byte=73 728 000 Byte，換算后大約70 M內(nèi)存空間，即是說在進(jìn)行單點(diǎn)宏面元AVO交互分析時(shí)，軟件將占用至少670 M內(nèi)存空間。在Windows系統(tǒng)下，32位程序理論尋址空間能有4 GB左右的內(nèi)存可用，不過實(shí)際上系統(tǒng)會(huì)把其中2 GB的地址留給內(nèi)核使用，所以單一進(jìn)程最大能用2 GB的內(nèi)存。除去其他開銷(應(yīng)用程序框架)，mingw-32-g++編譯器能夠malloc申請(qǐng)到的內(nèi)存就只有1.9 GB左右，32位的Linux系統(tǒng)CPU可直接尋址的地址空間是4 GB，每個(gè)進(jìn)程獨(dú)享4 GB私有虛擬空間，其中3 GB給程序用，1 GB內(nèi)核用。

綜上所述，大數(shù)據(jù)操作留給一個(gè)32位應(yīng)用程序進(jìn)程批量處理的內(nèi)存容量已非常有限，雖然目前64位操作系統(tǒng)已成為主流，但32位應(yīng)用程序還未完全徹底退出，在近年來的軟件項(xiàng)目中還占據(jù)著較大的比例。另一方面，在64位操作系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境下，尋址空間大幅提升，內(nèi)存分配上限的瓶頸雖然可以解決，但批量處理與交互處理在同一進(jìn)程也降低了應(yīng)用程序的執(zhí)行效率。

常用的地震資料處理軟件CGG、Omega、FOCUS等早已發(fā)展為分布式并行處理模式，這種機(jī)制在資源共享、海量運(yùn)算、并行處理、負(fù)載平衡等方面發(fā)揮了很大的優(yōu)勢(shì)，不過這種模式大都是基于CPU資源不足而共享的假設(shè)之上，通過設(shè)計(jì)合理的負(fù)載平衡算法，當(dāng)獲得有效CPU資源,數(shù)據(jù)就“移動(dòng)”至相應(yīng)節(jié)點(diǎn)計(jì)算開始，然后返回計(jì)算結(jié)果。其缺點(diǎn)是大部分時(shí)間被消耗在了數(shù)據(jù)傳輸過程中[2]。從進(jìn)行常規(guī)處理模塊流程來講，個(gè)人PC的單機(jī)多任務(wù)批量處理系統(tǒng)模式理論上能夠勝任工作。

在單機(jī)模式下，一個(gè)比較合理的辦法就是分散處理，把計(jì)算任務(wù)分發(fā)到不同的工作進(jìn)程，工作進(jìn)程由監(jiān)控進(jìn)程統(tǒng)一管理，監(jiān)控進(jìn)程負(fù)責(zé)收集多個(gè)工作進(jìn)程的工作狀態(tài)、執(zhí)行情況和資源分配等信息，工作進(jìn)程與監(jiān)控進(jìn)程可以互通信息并發(fā)送指令[3-5]。該模式的特點(diǎn)：

(1)硬件資源得到充分的利用；

(2)交互操作與批量處理分開管理，避免資源爭(zhēng)奪；

(3)各個(gè)進(jìn)程分配各自的存儲(chǔ)空間，增加了可用內(nèi)存容量，降低了內(nèi)存不足的現(xiàn)象；

(4)軟件開發(fā)人員對(duì)批處理任務(wù)的執(zhí)行情況細(xì)節(jié)掌握更精準(zhǔn)，減少了軟件的糾錯(cuò)時(shí)間，降低了維護(hù)成本。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 進(jìn)程間通信技術(shù)研究與試驗(yàn)

單機(jī)多任務(wù)批量處理模式中，進(jìn)程間的通信是關(guān)鍵的一環(huán)，穩(wěn)定性、實(shí)用性、跨平臺(tái)方面都要予以考慮。Windows和Linux系統(tǒng)下的進(jìn)程間通信技術(shù)較多，通過大量的研究實(shí)驗(yàn)，各種技術(shù)對(duì)比分析見表1和表2。

地震作業(yè)管理系統(tǒng)的任務(wù)進(jìn)程主要由1個(gè)監(jiān)控進(jìn)程和多個(gè)工作進(jìn)程組成。監(jiān)控進(jìn)程與各工作進(jìn)程建立通信并互通消息，消息的內(nèi)容包含各種執(zhí)行狀態(tài)、資源信息和指令隊(duì)列，雙方根據(jù)接收的指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，工作進(jìn)程間原則上不建立通信連接。通過對(duì)各種進(jìn)程間通信技術(shù)測(cè)試代碼的編寫和試驗(yàn)，從進(jìn)程間通信頻率較高的需求方面，管道模式在雙向通信能力方面不能有效避免同步和阻塞問題，從跨平臺(tái)的角度考慮，大多數(shù)模式即使在不同系統(tǒng)下的機(jī)制相似，但開發(fā)時(shí)需要設(shè)計(jì)兩套不同的代碼流程，增加了項(xiàng)目的開發(fā)成本和周期。

通過測(cè)試demo對(duì)各種機(jī)制的應(yīng)用試驗(yàn)，提出一種基于D-Bus的進(jìn)程間通信技術(shù)。D-Bus本身是構(gòu)建在Sockets機(jī)制之上。真正的通信還是由Sockets來完成的，Sockets本身支持跨平臺(tái)開發(fā)，在數(shù)據(jù)信息雙向傳輸方面方便快捷。D-Bus則是在這之上，制定了一些通信協(xié)議，并提供了更高一層的接口，更方便應(yīng)用程序之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互傳遞，這樣就有效解決了Sockets僅提供底層API而導(dǎo)致的開發(fā)工作量大的難題。

2.2 D-Bus技術(shù)開發(fā)與試驗(yàn)

D-Bus提供了多種Message Bus用于應(yīng)用程序之間的通信，但用途比較廣泛的主要是System Bus和Session Bus兩種。System Bus主要用于內(nèi)核和一些系統(tǒng)全局的Service之間的通信，Session Bus主要用于桌面應(yīng)用程序之間的通信，兩者之間不能互相通信。所以任何應(yīng)用程序不能欺騙系統(tǒng)事件，安全性很好。D-Bus的架構(gòu)原理、工作方式不是文中的重點(diǎn)討論內(nèi)容，所以不再詳述。

表1 Linux系統(tǒng)下常用的進(jìn)程間通信方式

表2 Windows系統(tǒng)下常用的進(jìn)程間通信方式

D-Bus中用于通信的基本單元叫做Message，當(dāng)應(yīng)用程序連接到Message Bus上時(shí)，D-Bus會(huì)自動(dòng)分配一個(gè)unique connection name，這個(gè)unique name通常的格式舉例為“:01-001”。unique name以“:”開頭，后面的數(shù)字沒有特別的意義，只是為了保證這個(gè)unique name的唯一性。另外，應(yīng)用進(jìn)程還可以向Message Bus請(qǐng)求一個(gè)well-known name，格式如同一個(gè)反置的域名，例如“swty.news.monitor”。當(dāng)一個(gè)應(yīng)用進(jìn)程連接到Message Bus上時(shí)，可以擁有兩種名稱：unique connection name和well-known name。這兩種名稱可以理解為IP地址和域名的關(guān)系。在D-Bus的規(guī)范里，unique connection name和well-known name都叫做Bus Name。Bus Name是應(yīng)用進(jìn)程和Message Bus之間的連接的名稱。應(yīng)用進(jìn)程和Message Bus之間的連接也被稱為Service，當(dāng)應(yīng)用進(jìn)程連接到Message Bus上時(shí)，該應(yīng)用進(jìn)程可以在Bus上創(chuàng)建一到多個(gè)Object(可以把D-Bus的Object理解成面向?qū)ο笳Z(yǔ)言里的Object)。Service通過Object為其他應(yīng)用進(jìn)程提供訪問接口[6-10]。因?yàn)樵贛essage Bus上，一個(gè)應(yīng)用程序可以對(duì)應(yīng)多個(gè)Object，所以不同的Object必須由Object Path(類似于文件系統(tǒng)的路徑)來區(qū)分。Object Path的格式如“/path/obj”。

筆者從事項(xiàng)目主要考慮桌面應(yīng)用進(jìn)程間通訊，與操作系統(tǒng)內(nèi)核并無關(guān)聯(lián)需求，所以各進(jìn)程主要建立在Session Bus通信基礎(chǔ)上。

圖1描述了地震作業(yè)監(jiān)控進(jìn)程與作業(yè)工作進(jìn)程的關(guān)系。

D-BUS Daemon為后臺(tái)進(jìn)程，作為D-Bus的消息中轉(zhuǎn)樞紐，類似于IP網(wǎng)絡(luò)中的路由器，在Linux系統(tǒng)下稱為守護(hù)進(jìn)程，在Windows系統(tǒng)下可稱為常駐監(jiān)控進(jìn)程，負(fù)責(zé)接收、處理并轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)程發(fā)送來的消息指令[11-13]?！皊wty.news.monitor”為監(jiān)控進(jìn)程，負(fù)責(zé)管理進(jìn)程執(zhí)行過程，完成系統(tǒng)資源統(tǒng)計(jì)與分配。“swty.news.offsettoangle”、“swty.news.Anisotropic”、“swty.news.Prestack”為3個(gè)工作進(jìn)程，任務(wù)單一，分別完成角度道集轉(zhuǎn)換、方位各向異性分析和道集疊加功能，并實(shí)時(shí)將執(zhí)行狀態(tài)反饋至監(jiān)控進(jìn)程。

3 架構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2是整個(gè)地震作業(yè)管理機(jī)制的抽象描述。本著“自頂向下，分工明確，高聚合，低耦合”的設(shè)計(jì)原則，將主框架分為“主應(yīng)用進(jìn)程”、“監(jiān)控進(jìn)程”、“工作進(jìn)程”、“作業(yè)管理框架”等子系統(tǒng)，每個(gè)子系統(tǒng)都是獨(dú)立單元，按照功能分配提供必要的I/O接口。這里的I/O接口不僅是地震數(shù)據(jù)的輸入輸出，也包括子系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài)、執(zhí)行情況、資源利用率等服務(wù)信息。作為執(zhí)行主體，“工作進(jìn)程”承擔(dān)了主要的運(yùn)算，提供與底層數(shù)據(jù)庫(kù)的I/O和D-Bus總線的信息交換，根據(jù)不同的計(jì)算粒度，進(jìn)程內(nèi)采用多核多線程的并行機(jī)制，提高了獨(dú)立運(yùn)算速度。整個(gè)架構(gòu)的明顯優(yōu)勢(shì)在于，各功能元素各自運(yùn)行[14-18]，工作情況完全透明，監(jiān)控系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)、收集并統(tǒng)計(jì)每個(gè)對(duì)象的相關(guān)信息，并且保證在局部運(yùn)行出錯(cuò)的情況下不影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 軟件研發(fā)平臺(tái)

基于前面的系統(tǒng)架構(gòu)與說明，在開發(fā)平臺(tái)的選擇方面，考慮到dbus官方源碼編譯的庫(kù)文件提供的都是較低級(jí)的API，從開發(fā)經(jīng)驗(yàn)來講，API越低級(jí)，開發(fā)人員的靈活性就越高，同時(shí)帶來的缺陷也比較明顯，即降低了軟件的可讀性，加大了維護(hù)成本。鑒于此，選擇使用Qt作為集成開發(fā)平臺(tái)。Qt是目前比較常用的跨平臺(tái)開發(fā)工具，在對(duì)D-Bus的支持方面，封裝了對(duì)D-Bus的鏈接、綁定、注冊(cè)以及消息響應(yīng)機(jī)制，但是Qt官方聲明它的dbus封裝是不支持Windows平臺(tái)的，所以要針對(duì)Windows平臺(tái)作系統(tǒng)適應(yīng)性編譯和改造，改造后的QtDBus庫(kù)才能支持跨平臺(tái)統(tǒng)一開發(fā)。

圖1 地震作業(yè)監(jiān)控進(jìn)程

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

5 應(yīng)用效果

利用焦石壩某工區(qū)的實(shí)際地震資料作為疊前道集測(cè)試數(shù)據(jù)，圖3是同時(shí)在本機(jī)進(jìn)行的10個(gè)地震批量作業(yè)的執(zhí)行監(jiān)控情況，等待作業(yè)隊(duì)列里還有3個(gè)等待執(zhí)行的定時(shí)任務(wù)。

圖3 作業(yè)監(jiān)控界面

監(jiān)控進(jìn)程隨時(shí)收集統(tǒng)計(jì)各工作進(jìn)程的狀態(tài)信息，圖4為工作進(jìn)程的物理內(nèi)存使用情況。

從兩個(gè)作業(yè)完成后的內(nèi)存曲線來看，作業(yè)B的內(nèi)存落差明顯較小，所以可以判定該進(jìn)程內(nèi)部存在內(nèi)存泄漏現(xiàn)象。

工作進(jìn)程獨(dú)立執(zhí)行，完全脫離交互引用，每個(gè)進(jìn)程在32位系統(tǒng)下理論可支持2 GB堆內(nèi)存空間分配，進(jìn)程內(nèi)部支持多核并行運(yùn)算。從實(shí)際測(cè)試結(jié)果來看，已沒有出現(xiàn)系統(tǒng)資源緊迫或不足的現(xiàn)象，并且硬件資源也得到了充分利用，在CPU和物理內(nèi)存高效率利用的情況下，疊前疊后聯(lián)合解釋交互系統(tǒng)依然可以穩(wěn)定運(yùn)行，沒有出現(xiàn)明顯的卡機(jī)或者停滯現(xiàn)象。

圖4 工作進(jìn)程的物理內(nèi)存使用情況

6 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)多種進(jìn)程間通信技術(shù)的研究與試驗(yàn)，結(jié)合油氣地球物理學(xué)軟件的現(xiàn)狀，分析、研究并設(shè)計(jì)了一套滿足當(dāng)前硬、軟件需求的地震作業(yè)管理架構(gòu)，開發(fā)了適用于地震生產(chǎn)項(xiàng)目的軟件版本。該軟件系統(tǒng)具備以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

(1)基于D-Bus總線系統(tǒng)，跨平臺(tái)工作，信息傳遞穩(wěn)定性和安全性高；

(2)分層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，接口清晰，軟件維護(hù)方便快捷；

(3)解決了常規(guī)軟件交互與批量在同一進(jìn)程導(dǎo)致的系統(tǒng)資源爭(zhēng)奪問題，大幅提高了硬件資源使用率。

下一步將在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中繼續(xù)推廣和完善。

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Design of Seismic Operation Management Architecture Based on D-Bus Technology

CHEN Nan

(Sinopec Geophysical Research Institute，Nanjing 211103,China)

Oil and gas geophysical software R&D is facing more and more pressure with the technical progress of the exploration area.Based on the research and experiment of communication mechanism and technology between procedures in Windows and Linux system,describe a single multi task parallel processing software architecture based on D-Bus technology.The D-Bus compatibility test is carried out in two different operating systems combined with the demand studying for seismic data batch processing of oil and gas geophysical field,and design the framework according to seismic batch operation management in combination of test result,and write the corresponding program with principle of "top down,clear division of labor,high polymerization and low coupling",and develop a set of batch processing software product.The test results of application show that the product has a good cross platform characteristics,and has a significant improvement from the operating speed,the utilization rate of hardware resource and the system stability,solving the bottleneck of system resource shortage caused by parallel processing.

D-Bus;batch;parallel;Qt;architecture

2015-05-26

2015-08-31

時(shí)間：2016-01-26

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05035)

陳 楠(1980-)，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)橛蜌獾厍蛭锢矸椒ㄅc軟件開發(fā)。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160126.1521.070.html

TP311.52

A

1673-629X(2016)02-0179-06

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.040