多線程技術在VC++串口通信程序中的應用研究

1 概述

　　在現代的各種實時監控系統和通信系統中，在Windows 9X/NT下利用VC++對RS-232串口編程是常用的手段。Windows 9X/NT是搶先式的多任務操作系統，程序對CPU的占用時間由系統決定。多任務指的是系統可以同時運行多個進程，每個進程又可以同時執行多個線程。進程是應用程序的運行實例，擁有自己的地址空間。每個進程擁有一個主線程， 同時還可以建立其他的線程。線程是操作系統分配CPU時間的基本實體，每個線程占用的CPU時間由系統分配，系統不停的在線程之間切換。進程中的線程共享進程的虛擬地址空間，可以訪問進程的資源，處于并行執行狀態，這就是多線程的基本概念。

　　2 VC++對多線程的支持

　　使用MFC開發是較普遍的VC++編程方法。在VC++6.0下，MFC應用程序的線程由CWinThread對象表示。VC++把線程分為兩種：用戶界面線程和工作者線程。用戶界面線程能夠提供界面和用戶交互，通常用于處理用戶輸入并相應各種事件和消息；而工作者線程主要用來處理程序的后臺任務。

　　程序一般不需要直接創建CWinThread對象，通過調用AfxBeginThread()函數就會自動創建一個CWinThread對象，從而開始一個進程。創建上述的兩種線程都利用這個函數。

　　線程的終止取決于下列事件之一：線程函數返回；線程調用ExitThread()退出；異常情況下用線程的句柄調用TerminateThread()退出；線程所屬的進程被終止。

3 多線程在串口通信中的應用

　　3.1 串口通信對線程同步的要求

　　因為同一進程的所有線程共享進程的虛擬地址空間，而在Windows 9X/NT系統下線程是匯編級中斷，所以有可能多個線程同時訪問同一個對象。這些對象可能是全局變量，MFC的對象，MFC的API等。串口通信的幾個特點決定了必須采用措施來同步線程的執行。

　　串口通信中，對于每個串口對象，只有一個緩沖區，發送和接收都要用到，必須建立起同步機制，使得在一個時候只能進行一種操作，否則通信就會出錯。

　　進行串口通信處理的不同線程之間需要協調運行。如果一個線程必須等待另一個線程結束才能運行，則應該掛起該線程以減少對CPU資源的占用，通過另一進程完成后發出的信號(線程間通信)來激活。

　　VC++提供了同步對象來協調多線程的并行，常用的有以下幾種：

　　　CSemaphore：信號燈對象，允許一定數目的線程訪問某個共享資源，常用來控制訪問共享資源的線程數量。

　　　Cmutex：互斥量對象，一個時刻至多只允許一個線程訪問某資源，未被占用時處于有信號狀態，可以實現對共享資源的互斥訪問。

　　　CEvent：事件對象，用于使一個線程通知其他線程某一事件的發生，所以也可以用來封鎖對某一資源的訪問，直到線程釋放資源使其成為有信號狀態。適用于某一線程等待某事件發生才能執行的場合。

　　　CCriticalSection：臨界區對象，將一段代碼置入臨界區，只允許最多一個線程進入執行這段代碼。一個臨界區僅在創建它的進程中有效。

　　3.2 等待函數

　　Win32 API提供了能使線程阻塞其自身執行的等待函數，等待其監視的對象產生一定的信號才停止阻塞，繼續線程的執行。其意義是通過暫時掛起線程減少對CPU資源的占用。在某些大型監控系統中，串口通信只是其中事務處理的一部分，所以必須考慮程序執行效率問題，當串口初始化完畢后，就使其處于等待通信事件的狀態，減少消耗的CPU時間，提高程序運行效率。

　　常用的等待函數是WaitForSingleObject()和WaitForMultipleObjects()，前者可監測單個同步對象，后者可同時監測多個同步對象。

　　3.3 串口通信的重疊I/O方式

　　MFC對于串口作為文件設備處理，用CreateFile()打開串口，獲得一個串口句柄。打開后SetCommState()進行端口配置，包括緩沖區設置，超時設置和數據格式等。成功后就可以調用函數ReadFile()和WriteFile()進行數據的讀寫，用WaitCommEvent()監視通信事件。CloseHandle()用于關閉串口。

　　在ReadFile()和WriteFile()讀寫串口時，可以采取同步執行方式，也可以采取重疊I/O方式。同步執行時，函數直到執行完畢才返回，因而同步執行的其他線程會被阻塞，效率下降；而在重疊方式下，調用的讀寫函數會立即返回，I/O操作在后臺進行，這樣線程就可以處理其他事務。這樣，線程可以在同一串口句柄上實現讀寫操作，實現"重疊"。

　　使用重疊I/O方式時，線程要創建OVERLAPPED結構供讀寫函數使用，該結構最重要的成員是hEvent事件句柄。它將作為線程的同步對象使用，讀寫函數完成時hEvent處于有信號狀態，表示可進行讀寫操作；讀寫函數未完成時，hEvent被置為無信號。

4 程序關鍵代碼的實現

　　程序專門建立了一個串口通信類，下面給出關鍵成員函數的核心代碼。

BOOL InitComm file://串口初始化，這里只給出關鍵步驟的代碼，下同
{
　HANDLE m_hComm;
　COMMTIMEOUTS m_CommTimeouts;
　m_hComm = CreateFile("COM1", file://在這里只使用串口1
　　GENERIC_READ | GENERIC_WRITE, file://打開類型為可讀寫
　　0, file://以獨占模式打開串口
　　NULL, file://不設置安全屬性
　　OPEN_EXISTING,
　　FILE_FLAG_OVERLAPPED, file://重疊I/O方式
　　0);
　if (m_hComm == INVALID_HANDLE_VALUE) file://打開不成功
　　{return FALSE;}
　m_CommTimeouts.ReadIntervalTimeout = 1000;
　file://進行超時設置，讀者應根據自己的實際需要設置
　m_CommTimeouts.ReadTotalTimeoutMultiplier = 500;
　m_CommTimeouts.ReadTotalTimeoutConstant = 5000;
　m_CommTimeouts.WriteTotalTimeoutMultiplier = 500;
　m_CommTimeouts.WriteTotalTimeoutConstant = 5000;
　if (!SetCommTimeouts(m_hComm, &m_CommTimeouts))
　　{CloseHandle(m_hComm);
　　　return FALSE;}
　PurgeComm(m_hComm, PURGE_RXCLEAR | PURGE_TXCLEAR | PURGE_RXABORT | PURGE_TXABORT); file://清緩沖
　return TRUE;
}

以上是專門針對COM1的初始化，如果要利用同一函數對不同串口初始化，則要在初始化前先進入代碼臨界區，以保證在某一時刻只進行一個串口的初始化。

　　在串口初始化成功后，就可以建立監控線程處理串口通信事件。下面是該線程的關鍵代碼。

UINT CommThread(LPVOID pParam) file://用于監控串口的工作者線程
{
　BOOL bResult = FALSE;
　if (m_hComm) file://查看端口是否打開，這里m_hComm同上，作者在這里做了簡化
　　PurgeComm(m_hComm, PURGE_RXCLEAR | PURGE_TXCLEAR | PURGE_RXABORT | 　　　PURGE_TXABORT);
　　for (;;) file://只要線程運行，就處于監視端口行為的無限循環
　　{
　　　bResult = WaitCommEvent(m_hComm, &Event, &m_ov);
　　　file://m_ov是OVERLAPPED類型的成員變量
　　　if (!bResult)
　　　　{ file://進行出錯處理}
　　　else
　　　{
　　　　Event = WaitForMultipleObjects(4, m_hEvent, FALSE, INFINITE);
　　　　file://無限等待設定的事件發生，數組m_hEvent根據需要定義了須響應的接收，發送，關閉端口事件和OVERLAPPED類型的hEvent事件
　　　　switch (Event)
　　　　{ file://讀寫事件的響應處理過程，在此略}
　　　　}
　　　　return 0;
　}

這樣監控主程序就可以使用AfxBeginThread()函數來產生CommThread串口監控線程。如果要實現對所有端口的同時監控，可以分別對端口建立監控線程。
　　5 小結
　　作為一個機房監控系統的組成部分，本串口通信程序在VC++6.0下編譯通過，在使用windows 98/NT的局域網里運行良好。