QNX消息传递及其在线程间通信的应用

QNX消息传递及其在线程间通信的应用摘要：本文介绍了QNX嵌入式实时多任务操作系统的消息传递和微内核体系结构的特点，创建线程的方法，消息传递的基本原理，以及阻塞式消息传递在线程间通信的实现方法，并给出了实例代码。关键字：QNX消息传递线程间通信阻塞1引言QNX操作系统支持多线程，并遵循POSIX线程标准。QNX的进程间通信(IPC)有多种形式，消息传递是最基本的方式，其它还包括代理（proxies），信号(signals)，信号灯(semaphore)，共享内存(sharedmemory)，管道(pipes)等，但它们都是建立在消息传递基础之上的。可见消息传递在QNXOS中的重要性，所以本文主要介绍消息传递，并通过实例给出主要编程代码。当进程中只含有一个主线程时，线程间通信也就是进程间通信；当进程中有多个线程时，线程间通信既可以是不同进程的线程间通信，也可以是同一个进程的线程间通信。消息传递既是进程间通信的一种方式，也是同一进程的两个线程间通信的方式。本文统称为线程间通信。2QNX操作系统2．1QNX的微内核结构QNX嵌入式实时多任务操作系统是由加拿大著名的QNXSoftwareSystemsLTD专为PC机开发的操作系统。1999年8月QSSL公司发布了QNXNeutrino2，它是符合线程规范的、完全以线程进行调度的操作系统。QNX提供多任务、优先级驱动的抢先式调度和快速的上下文切换，是实时应用软件的理想开发平台。通过微内核结构和基于消息的IPC，QNX在有效性、模块化、和简单性方面达到独一无二的程度。消息传递和微内核体系结构是QNX最大的特点，也是与其它OS最大的不同。微内核实现四种服务：IPC、底层网络通信、进程调度、中断派遣；完成两件基本的功能：消息传递和调度。整个QNXOS是由微内核调度管理的一组进程的集合，其体系结构见图（1）。消息传递是微内核体系结构的核心。在Neutrino下，取代把OS模块直接绑到内核上，而是通过消息传递完成模块间通信，使得OS具有真正的模块化结构。QNX优异的微内核体系结构使之在实时控制、嵌入式系统等领域软件开发中具有强大的生命力。由于它的高可靠性、强实时性、好的扩展性、以及技术先进性和开放性，使它在PC中得到广泛的应用。2．2QNX的线程进程与线程是现代操作系统进行多任务处理的核心内容。QNX微内核支持线程的处理，支持绝大部分的POSIX标准的线程原语，并且也定义了许多自己的函数。QNX线程的创建，最常用的方法是调用POSIXpthread_create()函数，其函数原型如下：#includepthread.hintpthread_create(pthread_t*thread,constpthread_attr_t*attr,void*(*start_routine)(void*),void*arg);函数中有四个变量，它们的含义如下：threadpthread_t结构的指针，用来存放线程ID；attr属性结构；start_routine创建线程后，开始执行子线程的函数，即线程的入口函数；arg传递给线程入口函数的参数；3QNX的消息传递3．1QNX消息传递的基本原理消息传递是一种阻塞式的通信，发生在两个线程之间，以客户/服务器（C/S）模式实现。两个线程分别为客户端和服务端，客户端向服务端请求服务。在这种C/S模式中线程有三种状态状态：运行、就绪和阻塞。当一个线程因为它必须等待某些消息协议的结束而不能继续执行时，就称线程进入阻塞。阻塞有三种状态：RECEIVE阻塞，SEND阻塞，REPLY阻塞。典型的消息传递“发送—接受—回应”状态转移图见图（2）。在服务端，起初，服务端等待客户端的消息，在消息到来之前，服务端就处于RECEIVE阻塞；当有消息到来时，服务端就进入就绪(READY)状态，并能够运行；而后它根据客户端的请求，回应客户端。而在客户端，起初，客户端自己单独运行，直到需要向服务端发送消息，则从就绪状态转为SEND阻塞或REPLY阻塞，具体要根据当时服务端的状态确定。在服务端给与回应后，客户端就从阻塞状态转为就绪状态，准备运行。消息传递还提供一种非阻塞式的通信，是利用脉冲信号（pulse）实现，本文不作介绍。3．2QNX消息传递的实现在Neutrino中，消息传递的体系结构可用如下三句话描述：客户端向服务端发送请求；服务端接收客户端的请求并处理请求；服务端回应客户端的请求。关于消息传递的函数有很多，但是用其中的部分函数就可以写出完美有用的C/S模式的应用程序，所以这里就只介绍主要的函数。在服务端，消息传递具体的实现过程如下：1)建立一个通道（channel）以等待客户端的连接请求。若成功，返回值为通道的ID。intChannelCreate(unsignedflags);2)服务端线程在已创建的特定通道进行监听，当客户端有请求时接收客户端的消息，把客户端的信息拷贝到本地，并把本次通信的相关信息存在参数info中。若返回值为0，表示接收到的是一个脉冲（Pulse）；正数表示成功；负数表示通信失败。intMsgReceive(intchid,void*rmsg,intrbytes,struct_msg_info*info);3)根据客户端的请求和开发者的需要进行具体的消息处理。4)服务端回应客户端的消息，客户端接收到此消息回应后将会解除Reply阻塞状态。intMsgReply(intrcvid,intstatus,constvoid*msg,intnbytes);5)服务端线程销毁通道，在实际应用中，通常运行不到这一步，因为服务端要始终处于运行状态以接收客户端来的消息。intChannelDestroy(intchid);在客户端，消息传递具体的实现过程如下：1)客户端线程与服务端线程建立的连接；intConnectAttach(intnd,pid_tpid,intchid,unsignedindex,intflgas);2)需要时向服务端发送一个消息，并且提供服务端线程回应消息的缓冲区。发送后即进入SEND阻塞状态，直到服务端处理完消息后给与回应，把“答案”放到提供的缓冲区中。intMsgSend(intcoid,constvoid*smsg,intsbytes,void*rmsg,intrbytes);3)客户端线程销毁与服务端通道之间的连接，结束通信。在实际应用中通常通信要始终进行，所以不必执行这一步；intConnectDetach(intcoid);线程间通信的消息传递流程图见图（3）。3．3QNX消息传递的自同步消息传递不仅可以实现线程间通信，而且提供线程的同步，即消息传递的自同步。这种线程间通信的自同步是暗含在消息传递机制中的，有利于应用程序设计的简化。参考图（3）来说明消息传递的自同步。客户端线程A调用MsgSend()函数向服务端发送消息，然后就进入阻塞状态，这种状态直到接收到服务端的回应MsgReply()才被唤醒。这就保证了服务端线程B在为线程A提供服务时，线程A一直处于阻塞状态，当线程B提供服务结束后，客户线程A才能继续执行。线程B一旦调用MsgReceive()函数，就不能继续执行原来工作直到为线程A提供服务结束。图（3）线程间通信的消息传递流程4QNX消息传递应用的程序代码由于消息传递的良好性能，在某实时控制系统中就采用了阻塞式消息传递来实现线程间通信。在该系统的一个控制模块中有两个线程，一个线程作为服务端完成系统控制调度工作；另一个线程作为客户端完成控制系统外部信息的采集工作，按一定的周期采集信息并用消息传递机制完成与控制调度线程的数据通信，为系统的控制调度提供依据。在这里没有对整个程序进行说明，只是说明了消息传递用到的通信程序代码。应用程序中线程间通信的客户端主要程序代码如下：#includesys/neutrino.hchar*smsg=“Thisisclient’smessage!\n”；//待传送的信息charrmsg[1024];//存放服务端回应的信息intcoid,chid;//连接ID，通道IDcoid=ConnectAttach(0,0,chid,0,0);//建立一个连接，需要时用以向服务器发送消息if(coid==-1){fprintf(stderr,“Couldn’tConnectAttachtoserver\n”);perror(NULL);exit(EXIT_FAILURE);}……//执行程序的其它任务//当需要向服务端发送请求消息(传送采集数据)时，发送消息if(MsgSend(coid,smsg,strlen(smsg)+1,rmsg,sizeof(rmsg))==-1){fprintf(stderr,“ErrorduringMsgSend\n”);perror(NULL);exit(EXIT_FAILURE);}if(strlen(rmsg)0){……//接到回应消息}……//继续执行原来的程序应用程序中线程间通信的服务端主要程序代码如下：#includesys/neutrino.hintrcvid;//接收IDintchid;//通道IDcharmessage[1024];//存放接收的消息数据chid=ChannelCreate(0);//创建一个通道while(1){//这是一个典型的服务端框架rcvid=MsgReceive(chid,message,sizeof(message),NULL);//接收消息……//对消息进行分析处理，完成客户的要求MsgReply(rcvid,EOK,message,sizeof(message));//回应客户……//执行程序的其它功能}ChannelDestroy(chid);//销毁通信通道,运行不到这里；5结束语消息传递是QNX与其它OS的最大区别。它使QNX成为真正的微内核和模块化的OS。它的线程自同步，使得应用程序的开发变得容易。由于消息传递的良好特性，被广泛应用于线程间通信。在某实时控制系统的应用中，消息传递的优越性和强大的功能得到了证明。参考文献:[1]Robkrten.GettingstartedwithQNXNeutrino2.QNXSoftwaresystemltd.2000.[2]QNXOperatingSystem——SystemArchitecture.QNXSoftwaresystemltd.2000.[3](美)格雷、J·S著;张宁译.UNIX进程间通信.北京:电子工业出版社.2001.