基于共享內(nèi)存的測試指揮顯示系統(tǒng)進程數(shù)據(jù)同步技術(shù)研究

李 強 涂二看見 張 明

(中國華陰兵器試驗中心 陜西 華陰 714200)

0 引 言

測試指揮顯示系統(tǒng)能將測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集并進行顯示，對于指揮員掌握試驗整體態(tài)勢、了解試驗進程、輔助進行決策分析具有重要的作用。指揮員在進行試驗測試數(shù)據(jù)實時評估分析或者對試驗的關(guān)鍵進程進行決策時，需要測試指揮顯示系統(tǒng)將試驗中能反映出試驗總體進程的態(tài)勢數(shù)據(jù)、關(guān)鍵設(shè)備測試數(shù)據(jù)、實時監(jiān)視視頻、指令進程數(shù)據(jù)、調(diào)度語音、氣象數(shù)據(jù)、電磁環(huán)境參數(shù)、靶標毀傷數(shù)據(jù)等進行匯集并同步顯示，這就要求測試指揮顯示系統(tǒng)的各個構(gòu)件之間數(shù)據(jù)的高度協(xié)調(diào)和同步。測試指揮顯示系統(tǒng)在設(shè)計時，按照“一體化”軟件集成的思想，將通用服務、數(shù)據(jù)接口以及顯示框架以構(gòu)件方式進行劃分，便于后期功能拓展。系統(tǒng)運行時，終端上部署的通用服務、數(shù)據(jù)接口以及不同的顯示構(gòu)件間需要保持數(shù)據(jù)的一致性，使得呈現(xiàn)在指揮員面前的各類原始數(shù)據(jù)、結(jié)果數(shù)據(jù)、態(tài)勢曲線分析圖表等保持同步。本文主要針對測試指揮顯示系統(tǒng)多個進程間的數(shù)據(jù)同步問題進行分析，并提出解決的思路。

1 進程間數(shù)據(jù)同步的主要方式

進程間的數(shù)據(jù)同步通常可以采用管道、套接字、共享內(nèi)存等機制[1]。管道是一種通過具有兩個端點的固定緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)交換的方式，它采用的是類似于通信中半雙工信道的進程通信機制，一個管道可以實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，而同一個時刻只能最多有一個方向的傳輸，管道提供了一種進程間簡單的消息同步方式，管道中的數(shù)據(jù)通常是以FIFO方式保存，在管道的兩端，進程一邊寫入數(shù)據(jù)，另一邊則讀取數(shù)據(jù)[2]。共享內(nèi)存則是將某一段內(nèi)存空間通過映射的方式投影在多個用戶進程空間，從而實現(xiàn)多個進程間的數(shù)據(jù)共享，是進程間進行通信最快捷的方式。使用共享內(nèi)存技術(shù)，不同進程可以同時訪問相同的內(nèi)存區(qū)域，能夠通過共享它們地址空間的若干部分，對存儲在共享內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行讀寫，從而實現(xiàn)彼此直接通信[3]。采用共享內(nèi)存方式進行數(shù)據(jù)通信時，為避免訪問中出現(xiàn)的同步和互斥問題，需要通過信號量的方式進行進程間的同步和協(xié)調(diào)操作。套接字則是通過操作系統(tǒng)為用戶進程通信提供一種抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來進行用戶進程間的網(wǎng)絡通信和連接的一種方式[3]。套接字實際上是提供進程通信的端點，通過此端點完成數(shù)據(jù)傳遞。文獻[4]對進程間的數(shù)據(jù)同步方式進行了測試分析，結(jié)果表明使用管道的方式進行數(shù)據(jù)同步，其數(shù)據(jù)傳輸時間基本固定，不隨數(shù)據(jù)報文大小的變化而變化(其傳輸時間基本由管道建立的時間決定)，而采用共享內(nèi)存和套接字的方式其數(shù)據(jù)傳輸時間都隨傳輸數(shù)據(jù)報文大小的增加而增加。因此，當傳輸較大數(shù)據(jù)報文時，采用管道方法比較理想；而在傳輸較小的數(shù)據(jù)報文時，共享內(nèi)存方式優(yōu)勢就比較明顯。從文獻中的測試數(shù)據(jù)情況來看，在傳輸數(shù)據(jù)報文小于10 KB時，采用共享內(nèi)存方式性能最優(yōu)。進程通信性能測試比較結(jié)果如圖1所示。

圖1 進程通信性能測試比較

本文研究的測試指揮顯示系統(tǒng)包括態(tài)勢綜合顯示、態(tài)勢管理和綜合數(shù)據(jù)采集服務三大部分。在網(wǎng)絡上部署系統(tǒng)時，通常在一臺終端上部署態(tài)勢管理和綜合數(shù)據(jù)采集服務，在另外多個終端上部署態(tài)勢綜合顯示。為保證多個終端與態(tài)勢管理之間數(shù)據(jù)顯示的一致性，通常需要各終端之間快速的數(shù)據(jù)同步。同步的數(shù)據(jù)包括各類測試數(shù)據(jù)、地圖顯示參數(shù)、編組信息、錄入?yún)?shù)、統(tǒng)計結(jié)果、標繪信息、操作指令等。按照測試顯示系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互協(xié)議，目前接收的測試數(shù)據(jù)為固定字長78 B，編組信息、地圖顯示參數(shù)、統(tǒng)計結(jié)果數(shù)據(jù)其數(shù)據(jù)包均小于10 KB，因此按照上文進程通信性能測試的結(jié)果，測試指揮顯示系統(tǒng)最終采用共享內(nèi)存方式實現(xiàn)多進程間的數(shù)據(jù)同步。

2 基于多環(huán)形隊列的共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步機制

2.1 共享內(nèi)存的一般模型

共享內(nèi)存方式實現(xiàn)進程間數(shù)據(jù)同步可以用圖2進行描述。按照共享內(nèi)存的數(shù)據(jù)寫入或讀取方式，將用戶進程分為客戶端和服務端。客戶端讀取數(shù)據(jù)和服務端寫入數(shù)據(jù)。服務器端寫入數(shù)據(jù)時(圖中用進程A表示)首先建立共享內(nèi)存，然后可以往共享內(nèi)存中寫入數(shù)據(jù)，并將內(nèi)存區(qū)映射成可以被多個進程訪問的共享內(nèi)存；客戶端讀取數(shù)據(jù)時(圖中用進程B表示)首先獲得共享內(nèi)存的地址，然后通過地址映射，就可以從中讀出數(shù)據(jù)。文獻[4]設(shè)計了單項鏈表的共享內(nèi)存方式進行進程同步測試，其數(shù)據(jù)同步帶寬遠遠大于測試指揮顯示系統(tǒng)同步的需求。

圖2 共享內(nèi)存通信一般模型

然而，測試指揮顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步涉及多個進程，因此在設(shè)計共享內(nèi)存時，需要為每個進程分別建立一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)同步。由于各進程內(nèi)部處理數(shù)據(jù)的速率并不一樣，處理每一批數(shù)據(jù)所消耗時間也就不相同，當這種差別較大時，就會造成相對應的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)阻塞，對整個系統(tǒng)運行的性能產(chǎn)生影響，特別是在數(shù)據(jù)長度比較大時，需要引入信號量來協(xié)調(diào)對共享內(nèi)存段的訪問，這會增加較多的時間開銷。因此在共享內(nèi)存需求不斷增大時，需要采用一定的方式對共享內(nèi)存數(shù)據(jù)同步方式進行優(yōu)化，以消除共享內(nèi)存增長引入信號量帶來的性能影響。

針對上述不足，本文提出一種基于多環(huán)形隊列的共享內(nèi)存異步傳輸同步機制，將數(shù)據(jù)讀寫分別用多個環(huán)形隊列進行調(diào)度，很好地解決共享內(nèi)存段讀寫互斥操作帶來的信號量開銷問題，同時降低收發(fā)進程構(gòu)件的耦合度，提高系統(tǒng)整體性能。

2.2 設(shè)計思路

多環(huán)形隊列共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步模型如圖3所示。

圖3 多環(huán)形隊列共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步模型

在多環(huán)形隊列共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步機制中，系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)同步的共享內(nèi)存區(qū)分成兩部分：管理控制塊和數(shù)據(jù)區(qū)。管理控制塊由管理控制信息、多個寫隊列環(huán)、多個讀隊列環(huán)組成，管理控制信息保存各寫隊列環(huán)對應的數(shù)據(jù)區(qū)大小，各寫隊列環(huán)寫入數(shù)據(jù)索引和讀取狀態(tài)標志等。寫隊列環(huán)保存的是一組空閑數(shù)據(jù)內(nèi)存塊的索引；讀隊列環(huán)保存的則是已經(jīng)讀取到顯示構(gòu)件中的數(shù)據(jù)內(nèi)存塊索引。

系統(tǒng)工作時，首先申請一塊內(nèi)存區(qū)域作為共享內(nèi)存緩沖池，并根據(jù)接入數(shù)據(jù)的種類和顯示構(gòu)件多少生成相應數(shù)量的寫隊列環(huán)和讀隊列環(huán)，同時系統(tǒng)為各寫隊列環(huán)分配不同大小的空閑數(shù)據(jù)塊。空閑數(shù)據(jù)塊的大小和對應的數(shù)據(jù)類型有關(guān)，為了節(jié)省系統(tǒng)開銷，空閑數(shù)據(jù)塊大小固定。

數(shù)據(jù)發(fā)送時，系統(tǒng)根據(jù)發(fā)送的數(shù)據(jù)類型，查找相應的寫隊列環(huán)，并在這個寫隊列環(huán)上獲取到一個空閑數(shù)據(jù)塊索引，并將數(shù)據(jù)拷貝到該數(shù)據(jù)塊中，并更新管理控制數(shù)據(jù)塊中對應的寫入隊列的寫入索引。數(shù)據(jù)讀取時，系統(tǒng)根據(jù)管理控制數(shù)據(jù)塊中的標志位，將寫入塊索引放至讀取環(huán)的末尾，只有所有讀取環(huán)都寫入該索引后，管理控制數(shù)據(jù)塊中的標志位才重新復位，并更新對應的寫隊列環(huán)中數(shù)據(jù)索引。通過對讀寫環(huán)形隊列的不間斷交替操作,極大地弱化了共享內(nèi)存空間物理結(jié)構(gòu)帶來的影響，從而實現(xiàn)了收發(fā)雙方數(shù)據(jù)的異步傳輸，降低了模塊間的耦合度。采用這種共享內(nèi)存動態(tài)管理的模式可以極大地提高內(nèi)存的利用效率，并且使用多個讀寫隊列環(huán)進行數(shù)據(jù)同步還可以避免多個進程訪問調(diào)度帶來的性能影響。

3 方法設(shè)計

3.1 測試指揮顯示系統(tǒng)構(gòu)成

測試指揮顯示系統(tǒng)為了實現(xiàn)各顯示終端與系統(tǒng)管理端的主從控制模式，設(shè)計了基于多環(huán)形隊列的共享內(nèi)存和多進程協(xié)作機制，通過終端系統(tǒng)軟件的進程管理對共享內(nèi)存中的資源以及進行資源請求的事件進行統(tǒng)一管理。每個終端軟件都有共享內(nèi)存管理進程，可以對資源池中的共享內(nèi)存塊進行調(diào)度管理，將人員編組、地圖標繪、控制指令、態(tài)勢信息等按相應的數(shù)據(jù)包大小構(gòu)建寫隊列環(huán)。讀隊列環(huán)則按照終端系統(tǒng)軟件部署的顯示構(gòu)件進行分配。調(diào)度管理進程通過共享內(nèi)存資源池中定義的管理控制信息對讀寫進程進行調(diào)度管理。每個終端軟件上還需要部署數(shù)據(jù)收發(fā)進程，在系統(tǒng)進程管理下實時對系統(tǒng)端的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)同步操作，及時更新資源池中的數(shù)據(jù)，使各終端數(shù)據(jù)與系統(tǒng)管理端保持同步。測試指揮顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 測試指揮顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 讀寫數(shù)據(jù)同步的工作流程

系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)同步機制設(shè)計時，在共享內(nèi)存空間內(nèi)需要根據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)的類型創(chuàng)建不同的寫隊列環(huán),包括人員編組、地圖標繪、控制指令、態(tài)勢信息等。發(fā)送進程訪問管理控制塊中相應的寫隊列環(huán)，如果隊列環(huán)不為空，則執(zhí)行出隊操作，將寫隊列環(huán)head指針指向的空閑數(shù)據(jù)塊初始化，然后進行數(shù)據(jù)拷貝操作，同時將指向該數(shù)據(jù)塊的索引寫入管理控制塊的管理控制信息中，并通過該共享內(nèi)存塊結(jié)構(gòu)體內(nèi)的條件變量，向管理進程發(fā)布數(shù)據(jù)更新事件消息。所有的顯示構(gòu)件(接收方)在收到事件消息提醒后，遍歷對應的讀隊列環(huán)，獲取head索引指向的數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)塊結(jié)構(gòu)體中的計算器增加1，若判斷計算器的數(shù)量等于寫隊列環(huán)的數(shù)量，則判斷所有接收進程都已經(jīng)完成數(shù)據(jù)的讀取操作，并更新管理控制信息相應寫隊列環(huán)索引的標志位。終端進程發(fā)送接收流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步工作流程

4 系統(tǒng)性能分析

為了驗證系統(tǒng)采用多環(huán)形隊列共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步方式的實際性能是否滿足系統(tǒng)的實時性要求，采用VC++9.0編寫模擬數(shù)據(jù)發(fā)送軟件(軟件界面如圖6所示)，對測試指揮顯示系統(tǒng)的數(shù)據(jù)讀取、顯示進行比較測試。測試環(huán)境為：主機：CPU i7-6700內(nèi)存8 GB；網(wǎng)絡環(huán)境：百兆局域網(wǎng)。測試指揮顯示系統(tǒng)終端顯示軟件如圖7所示。

圖6 模擬數(shù)據(jù)發(fā)送軟件界面

圖7 測試指揮顯示系統(tǒng)終端軟件界面

4.1 數(shù)據(jù)傳輸延遲測試

為了測試數(shù)據(jù)傳輸延遲，模擬數(shù)據(jù)發(fā)送軟件以固定頻率向系統(tǒng)管理終端發(fā)送一定大小的數(shù)據(jù),需要從管理端同步數(shù)據(jù)的顯示端數(shù)量從1增加到4。利用數(shù)據(jù)發(fā)送和顯示端接收的時間差計算傳輸?shù)难舆t。在本實驗中,發(fā)送方每秒分別發(fā)送500、1 000、1 500、2 000、2 500個固定大小的數(shù)據(jù)包，計算各自的平均數(shù)據(jù)傳輸延遲，實驗結(jié)果如圖8所示。可見，多環(huán)形隊列共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步，數(shù)據(jù)傳輸延遲均隨著傳輸數(shù)據(jù)大小及接收方數(shù)量的增加而緩慢增加，但受同步終端數(shù)量影響不明顯。

圖8 數(shù)據(jù)測試結(jié)果

4.2 最大吞吐量測試

測試指揮顯示系統(tǒng)接收外部數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)包最大不超過5 KB，因此，在進行系統(tǒng)最大吞吐量測試時，模擬數(shù)據(jù)發(fā)送端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包大小固定為5 KB。發(fā)送方總計發(fā)送10 000個數(shù)據(jù)包，測試在不同發(fā)送頻率下的帶寬。帶寬的計算方式為：帶寬=數(shù)據(jù)包數(shù)量×5KB/時間，其中帶寬、數(shù)據(jù)包、時間均按發(fā)送和接收分別計算。最大吞吐量則為其不丟包時的最大帶寬。數(shù)據(jù)測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 數(shù)據(jù)測試結(jié)果

進程間交換數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)方法是在共享內(nèi)存中開辟數(shù)組，系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換性能在數(shù)據(jù)包個數(shù)一定范圍內(nèi)是基本穩(wěn)定的，但在數(shù)據(jù)超過共享內(nèi)存空間時，系統(tǒng)響應時間會產(chǎn)生比較大的性能滑坡。采用多環(huán)形隊列共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步對共享空間訪問進行優(yōu)化，可以顯著提升系統(tǒng)性能，其傳輸延遲和吞吐量受客戶端數(shù)量影響不大。

5 結(jié) 語

測試指揮顯示系統(tǒng)將試驗中的態(tài)勢數(shù)據(jù)、關(guān)鍵設(shè)備測試數(shù)據(jù)、實時監(jiān)視視頻、指令進程數(shù)據(jù)、調(diào)度語音、氣象數(shù)據(jù)、電磁環(huán)境參數(shù)、靶標毀傷數(shù)據(jù)，以及各類數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果進行綜合顯示，是試驗指揮決策的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。系統(tǒng)進程間數(shù)據(jù)的同步效率，直接影響其效能的發(fā)揮。本文針對較大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)同步問題，設(shè)計一種基于多環(huán)形隊列共享內(nèi)存異步傳輸數(shù)據(jù)同步方法，替代傳統(tǒng)的內(nèi)存數(shù)組的共享方式，很好地解決了大數(shù)據(jù)量匯集時共享內(nèi)存數(shù)據(jù)同步效率降低的問題，提高了系統(tǒng)的適應性和可靠性，也為設(shè)計需要匯集較大數(shù)據(jù)量，且有多個進程進行數(shù)據(jù)同步協(xié)同工作類似指揮顯示系統(tǒng)軟件提供很好的解決思路。