齊文軍

（91550部隊(duì) 大連 116021)

1 引言

實(shí)時控制軟件通常是一個多任務(wù)、多作業(yè)的實(shí)時系統(tǒng)，通常采用共享內(nèi)存區(qū)、消息隊(duì)列、信號燈等技術(shù)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間通信［1～2］，已有文獻(xiàn)對進(jìn)程間通信機(jī)制進(jìn)行比較分析［3］以及對進(jìn)程間信號通信機(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刻都能夠?qū)崟r地知道當(dāng)前執(zhí)行什么任務(wù)，什么作業(yè)，何時執(zhí)行等命令以及中斷信號何時到達(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)時信號的功能特性，建立一種在實(shí)時控制軟件中進(jìn)程間實(shí)時傳遞信息的聰明的通信機(jī)制。

2 實(shí)時信號機(jī)制分析

2.1 實(shí)時信號機(jī)制簡介［5～6］

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

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

2.2 實(shí)時信號屏蔽字分析

為了分析實(shí)時信號的傳遞機(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)每一個線程都有自己的寄存器和棧；3)線程共享進(jìn)程資源。

每個進(jìn)程都有與每個信號相關(guān)的信號屏蔽字，由此屏蔽字來決定哪些信號可以傳遞給該進(jìn)程，而哪些信號在傳遞時將會被阻塞。信號屏蔽字具有繼承性，也就是說，當(dāng)父進(jìn)程調(diào)用fork函數(shù)派生子進(jìn)程時，子進(jìn)程將繼承父進(jìn)程的信號屏蔽字。信號屏蔽字的每一位代表一個信號，在進(jìn)程中把信號屏蔽字中的哪一位設(shè)置為“1”，說明此屏蔽字所對應(yīng)的信號可以傳遞給該進(jìn)程。在設(shè)置信號屏蔽字之前必須先清空信號所在的信號集，否則，將出現(xiàn)段訪問錯誤。因此，與每一個信號相關(guān)的信號屏蔽字是分配給進(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信號相關(guān)的信號屏蔽字。

在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)過測試表明對如何利用實(shí)時信號來實(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)置信號屏蔽字。否則，在利用多線程來接收信號時，如果有兩個或兩個以上的實(shí)時信號同時或相隔時間很短到達(dá)時，進(jìn)程就會終止，并會在終端上顯示收到的實(shí)時信號。

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

2.3 實(shí)時信號附加信息分析

Tru64Unix操作系統(tǒng)中的POSIX 1003.1b實(shí)時擴(kuò)充程序設(shè)計接口提供了一個新的sigqueue函數(shù)，用來實(shí)現(xiàn)向指定進(jìn)程發(fā)送一個帶有可選數(shù)據(jù)的實(shí)時信號的功能。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信號的接收進(jìn)程；signal是發(fā)送進(jìn)程所發(fā)送的實(shí)時信號；sval就是隨信號所傳遞的附加信息，附加信息數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為

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

在利用fork函數(shù)派生子進(jìn)程的時候，若沒有使用exec族函數(shù)調(diào)用其它進(jìn)程的映像來覆蓋此子進(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。

原因是每一個進(jìn)程都有自己的信號堆棧區(qū)，可以用來傳遞信號所附加的指針信息。在利用fork函數(shù)派生子進(jìn)程的時候，子進(jìn)程復(fù)制了父進(jìn)程的信號堆棧區(qū)。若沒有利用exec族函數(shù)調(diào)用其它進(jìn)程的映像來覆蓋此子進(jìn)程的映像，此時父子進(jìn)程具有相同的信號堆棧區(qū)，用來傳遞信號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)程的映像來覆蓋此子進(jìn)程的映像，當(dāng)然信號區(qū)也被覆蓋。此時父子進(jìn)程信號堆棧區(qū)不同，當(dāng)然傳遞附加信息的指針地址也無法確定，因此就無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)時信號在進(jìn)程間通信中的應(yīng)用

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

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

圖2 信號附加信息定義表

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

3.1 實(shí)時信號發(fā)送功能設(shè)計

3.1.1 進(jìn)程PID1發(fā)送信號

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

3.1.2 進(jìn)程PID2發(fā)送信號

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

3.2 實(shí)時信號接收功能設(shè)計

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

其中，sigset是PID3進(jìn)程所定義的接收信號集，內(nèi)容包含PID1和PID2進(jìn)程向PID3進(jìn)程發(fā)送的實(shí)時信號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)程傳過來的信息，該變量是一個結(jié)構(gòu)，其中的一個成員為union sigval si＿value，si＿value同前面講述的sigqueue函數(shù)的第3個參數(shù)是一樣的，PID1和PID2進(jìn)程傳過來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)程傳來信號，其主要代碼如下：

4 與其它進(jìn)程間通信技術(shù)實(shí)時性比較

為了驗(yàn)證實(shí)時信號在實(shí)時控制軟件中的實(shí)時性和可靠性，在測試平臺（Tru64UNIX操作系統(tǒng)，1024M 內(nèi)存，667MHz CPU兩個)上對實(shí)時信號和其他進(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個字節(jié)信息和信號燈是采用給共享區(qū)中計數(shù)器加1的方法進(jìn)行48小時測試。測試表明，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)或信號丟失現(xiàn)象，表明這些技術(shù)都是可靠的，在延遲上其測試結(jié)果如下：

表1 測試結(jié)果統(tǒng)計表（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燈等互斥鎖來保證進(jìn)程間數(shù)據(jù)同步，但其缺少一種靈敏機(jī)制，就是無法實(shí)時知道何時數(shù)據(jù)寫入或讀出；使用實(shí)時信號不僅提供了一種靈敏機(jī)制，而且其實(shí)時行為是有保證的，因此傳遞小信息量的數(shù)據(jù)，實(shí)時信號無疑是最佳選擇。

5 結(jié)語

實(shí)際應(yīng)用表明利用實(shí)時信號的功能特性為實(shí)時控制軟件設(shè)計的進(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，不僅方法簡單方便，而且更加安全可靠，系統(tǒng)的實(shí)時性也得到了進(jìn)一步加強(qiáng)，在實(shí)時軟件設(shè)計中具有廣泛的實(shí)用價值。實(shí)際應(yīng)用中還可以使用信號與其它進(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)時性。

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