基于線程局部存儲技術的多通道數控系統仿真

摘要：在多實例多線程情況下，ActiveX 組件的不同實例共享同一全局數據緩沖區，在改造集成面向過程開發的傳統代碼時必須修改代碼以消除全部全局變量。針對該情況，使用線程局部存儲技術實現全局變量的局部化，采用具有大量全局變量的實體仿真代碼實現ActiveX封裝。該技術已成功應用于基于工業以太網的多通道數控系統中。

關鍵詞：數控系統;線程局部存儲;組件對象模型;ActiveX 組件

1 概述

組件對象模型(CompONent Object Model, COM)是由美國微軟公司提出的一種二進制代碼互操作規范，ActiveX 是實現了一些特定接口(例如IDispatch)的標準COM 組件。

COM/ActiveX 規范已成為軟件業內最重要的工業標準之一。

基于組件的軟件構架方法通過重用已有的軟件組件，可使軟件開發者像搭積木一樣快速構造應用軟件，從而提高生產效率，使軟件設計更加規范可靠。目前基于組件的軟件開發方法已經在業界得到廣泛應用。在數控系統中也使用組件技術實現加工仿真，但現有文獻較少涉及多個ActiveX 組件實例的情況。ActiveX 組件采用類似Windows消息運行機制的單套間模型(Single Threaded Apartment, STA)來串行化對組件屬性和方法的調用，即對ActiveX 組件的所有調用由COM 系統負責線程的同步。因此，該組件的調用是線程安全的。

COM 在STA 套間內的線程中創建一個隱藏窗口，將套間外的線程對這個對象的調用都轉變成對隱藏窗口發送消息，并由隱藏窗口的消息處理函數來實際調用組件對象，從而實現STA 套間模型。

一個進程中的所有線程均處于同一虛擬地址空間，每個函數的局部變量在運行該函數的每個線程中都是唯一的，但靜態和全局變量則被所有線程所共享。即在多個ActiveX 組件實例的情況下，ActiveX 組件的 STA 模型不能保證全局數據成員是線程安全的。

2 線程局部存儲原理

線程局部存儲(Thread Local Storage, TLS)是Win32 系統提供的一種簡化多線程程序設計的底層基礎技術，其實質是介入全局數據創建過程，建立并管理全局數據與線程的關聯，使得全局數據為其關聯線程所私有。TLS 原理如圖1 所示。

每個進程擁有一組TLS 槽口(Slot)，每個槽口用序號標識，Windows 2000 有1 088 個這樣的槽口。線程通過API 函數可以分配TLS 槽口，在TLS 槽口存取數據，進程中使用同一個序號的不同線程可指向獨立的局部堆內存中進行數據存儲，即線程ID 和槽口號確定了一個二維空間映射，線程通過API 函數獲得線程間相互獨立的數據存儲地址。

圖 1 也表明了采用TLS 機制的具有2 個ActiveX 組件實例的運行時軟件內存結構，進程分配了2 個TLS 索引值gdwTlsIndex1 和 gdwTlsIndex2，這2 個索引值代表了TLS槽口的序號，但不同線程按照相同的序號卻得到2 個獨立的局部堆地址，而這些數據在線程內卻具有全局數據的可訪問性，即每個線程有單獨的全局數據拷貝，該數據對線程內的函數具有全局作用域。

Win32 系統中與TLS 有關的API 及用法如下：

(1)進程初始化時分配TLS 槽口：

DWORD gdwTlsIndex;gdwTlsIndex = TlsAlloc();

(2)調用TlsSetValue 保存數據：

LPVOID lpvBuffer;lpvBuffer = (LPVOID) LocalAlloc(LPTR, 256);

TlsSetValue(gdwTlsIndex, lpvBuffer); //保存存儲區指針

(3)調用TlsGetValue 取數據：

LPVOID lpvData;lpvData = TlsGetValue(gdwTlsIndex); //取TLS 槽口中保存的存//儲區指針

(4)調用TlsFree 釋放槽口：

lpvBuffer = TlsGetValue(gdwTlsIndex);

LocalFree((HLOCAL) lpvBuffer); //釋放存儲區

TlsFree(gdwTlsIndex); //釋放TLS 槽口