μC／OS－II和LWIP的并发服务器与代理线程设计模式

蒋俊，钟伟胜

（1.长沙 410081；2.江苏省淮安技师学院）

蒋俊（自由职业者），从事嵌入式开发6年，擅长μC／OS－II和LWIP，熟悉DSP和ARM开发，自主开发过GUI库，精通电能计量、测量、谐波分析；钟伟胜（讲师），主要研究方向为计算机网络。

引 言

现有一嵌入式设备具备网络通信功能，它要求设计成支持多台数据采集器同时进行通信，如图1所示。多种原因（价格，功耗和尺寸）的限制导致该嵌入式设备的处理能力和存储空间有限，因此选用μC／OS－II操作系统和LWIP协议栈。在通信过程中，数据采集器充当客户端，嵌入式设备是服务器，显然，需要将该嵌入式设备设计成并发服务器，另外为节省内存，需要设计代理线程模式。

图1 多台采集器与嵌入式设备通信

1 基于μC／OS－II动态生成线程

一般来说OS都支持动态生成线程（或进程），μC／OS－II也不例外，对于程序员来说，要处理4方面的问题：线程的正文、优先级、堆栈空间和检测堆栈占用率。

正文（text）即线程的执行代码，经常组织成一个无限循环的函数，更具普遍规律的是，在网络开发中多个线程的正文都是同一个函数，因为这些线程基本上完成相同的任务，差异只是连接的主机不同。

μC／OS－II中的优先级具有十分重要的意义，不仅影响该线程的调度，而且在整个系统中它是唯一的ID，可以分配一段ID号给动态线程。

最重要的工作是堆栈的处理，当生成一个线程时需要给它分配一段内存充当堆栈，当删除该线程时需要回收这段内存。

根据线程个数与每个线程堆栈大小定义一块内存区，然后使用OS提供的OSMemCreate（）生成动态内存区，每当生成一个线程时，调用OSMemGet（）来获取一块内存，将该内存的句柄保存；删除一个线程时，调用OSMemPut（）将该内存回收。这里有一个问题，怎么查找被删除线程的堆栈呢？其实它是根据该线程的优先级号来完成的。

一个线程可以调用OSTaskDel（）来删除自己，那么它可以回收自己的堆栈吗？事实上，这样做很危险！当一个线程没有完全删除时，它是依赖堆栈来运行的，如果此时回收了堆栈空间，可能会带来致命的错误。假设一个线程回收自己的堆栈且该内存立即被别的线程使用，那么当它还想使用这个堆栈执行最后一些工作时，堆栈里的有效数据已经被破坏了，这可能会带来程序的崩溃，而且这种错误很难查找。

一个安全可行的办法是，一个线程向创建者发送消息——请回收我的堆栈空间，然后删除自己，注意这2个动作必然是“原子的”，否则上述的错误就不可避免了。μC／OS－II在删除线程的函数 OSTaskDel（）中提供钩子函数App＿TaskDelHook（），并且调用该钩子函数时中断被关闭，从而保证原子操作，可以在该函数中发送消息。

最后，一个强大的嵌入式系统需要检测线程的堆栈占用率，以防止堆栈溢出带来的内存错误。引入动态线程后，线程个数是未知的，该如何检测堆栈占用率呢？这个工作可以交给OS来完成，因为它最了解哪些线程已经被创建（通过查看OS＿TCB来完成），可以简单地调用OSTaskStkChk（）遍历所有优先级号，对于已创建线程会返回堆栈使用数据，不存在的线程会返回错误信息（如该线程不存在）。［1］

2 基于LWIP的并发服务器

我们先来解决一个理论问题：为什么网络通信多连接需要设计并发线程，用一个线程来查询并处理多连接是否可以呢？回答这个问题需要看看处理一个网络连接的线程到底在干什么。在LWIP协议栈中，当线程调用netconn＿recv（）等待连接主机的报文时会被阻塞在邮箱recvmbox上，直到接收成功该线程才进行下一步处理。阻塞在OS中是通过切换CPU来实现的，阻塞时间内该线程什么也干不了，查询并处理多连接是不可能的。因此，一个线程处理一个网络连接，这种模式最自然，也最科学。

这里有一个主线程负责侦听网络，每建立一个网络连接时创建一个新线程并传递网络连接句柄，新线程开始处理对应网络连接上的所有事务，直到该网络连接断开时才删除自己，并通知主线程回收堆栈空间，整个工作过程如图2所示。

图2 多线程与并发连接

结合LWIP看上述过程的实现，主线程阻塞在netconn＿accept（）上，每接收一个新连接句柄struct netconn＊p＿stNetConn，就会创建一个新线程并传递该句柄。新线程将阻塞在netconn＿recv（）上，每接收一个网络数据包struct netbuf＊p＿stNetBuf后进行处理，新线程通过查询ERR＿IS＿FATAL（p＿stNetConn－＞err）来得知网络连接是否有效，如果无效，则删除自己并通知主线程回收堆栈空间。［3］

3 代理线程设计模式

从图1中可以看出，无论多少个数据采集器，嵌入式设备的数据都是一致的，即数据与客户端连接个数无关；另外，每个数据采集器与设备通信的操作是相同的（一个优秀架构会保证通信操作的同构性）。因此，引入代理线程设计模式，至少具备2方面的优点：

①节省内存。假设解析通信协议需要N字节内存，如果新建M个线程，那么采用代理线程将节省N×（M－1）字节内存，除代理线程外其他都不需要解析协议，这对于嵌入式系统宝贵内存来说是一个极大的优势。

② 避免竞态。一份数据如果被多个线程共享，那必定会带来令人头痛的竞态问题，设计者不得不花费大量精力来保证线程安全；采用代理线程后，该数据只被一个线程操作，从源头避免共享，降低设计复杂度。［2］

图3描述了代理线程的工作原理，当客户端Client＿i向线程Thread＿i发起通信请求时，线程把该请求委托给Proxy－Thread来完成，Proxy－Thread解析该委托任务并回应客户端Client＿i。同时，也显示了这种设计模式的缺点，需要线程之间通信和少量的时间开销。

图3 代理线程通信原理

在多线程设计中不得不提的是时序问题，它可以清晰地反映线程之间是如何交互的，OS是如何调度线程的以及系统的运行轨迹。在本设计中，委托线程与代理线程的交互如图4所示，每当委托线程提交任务后它就被阻塞，直到代理线程处理完该任务才解除阻塞；另外代理线程负荷最重，它占用大部分的CPU资源。

图4 线程交互时序图

委托线程与代理线程之间的通信接口该怎样设计呢？从需求出发，代理线程完成委托线程的任务需要以下资源：网络连接句柄、接收数据包指针、同步信号量和委托线程私有数据存储区。发送回应数据包必须提供网络连接句柄；要解析协议必须依赖接收数据包；当代理线程完成任务后需要同步委托线程，这里将使用信号；客户端往往需要设置委托线程，数据将保存在它的私有数据存储区。数据结构的设计如图5所示。

图5 线程通信接口

在上述通信接口设计中有SemProtect用于保护线程的私有数据单元，这个信号量有存在的必要吗？以图6中没有设置信号保护的情况为例，这将直接导致一个错误：当Proxy需要通过连接句柄主动发送数据时，委托线程抢夺了CPU，并将该连接句柄置为无效，等Proxy再次获得CPU时，它并不知道该句柄已经无效了，发送数据将会导致LWIP协议栈紊乱。

图6 没有信号量保护导致错误

解决这个问题的办法就是原子操作，即检测线程有效与使用连接句柄发送数据不能被打断，信号量能够胜任这种场合。图7和图8表明，无论Proxy先还是后，获取信号量都能避免上述状况下错误的发生。

图7 Proxy先获取信号量

图8 Proxy后获取信号量

结 语

本文重点研究了基于μC／OS－II和LWIP的嵌入式系统下并发服务器和代理线程的实现模式，它具备网络多连接（数目仅依赖内存大小）和极大节省内存的优势，深入探究线程同步和网络开发陷阱，对于嵌入式系统网络开发具备实用价值。

论文中涉及的技术方法已在嵌入式产品上验证成功，该产品软件基于μC／OS－II V2.86和 LWIP V1.3.2，硬件基于LPC1768处理器和以太网口，实践证明论文中的方法稳定、可行。

［1］Jean J Labrosse.嵌入式实时操作系统μC／OS－II［M］.邵贝贝，等译.北京：北京航空航天大学出版社，2007.

［2］David E.Simon嵌入式系统软件教程［M］.陈向群，等译.北京：机械工业出版社，2005.

［3］Adam Dunkels.Design and Implementation of the LWIP TCP／IP Stack.Swedish Institute of Computer Science，2001.