[发明专利]协同并发式消息总线、主动构件组装模型及构件拆分方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机技术领域，具体涉及一种协同并发式消息总线、主动构件组装模型及构件拆分方法。

背景技术

众所周知，软件设计的终极目标为：真实世界是什么样子，软件就应当设计成什么样子，从而实现通过软件模拟真实世界的目的。由于真实世界是纷繁复杂地，如实地模拟真实世界往往并不容易。前人经过多年的实践发现，软件系统对真实世界的每个细节模拟得越逼真，软件就越容易设计、理解与维护。由于面向对象编程真实地模拟了现实世界的事物，容易理解、方便维护、容易变更，因此，面向对象编程取代了面向过程编程，成为目前主流的编程方式。

然而，由于硬件成本等多种因素的限制，在现实世界中，无处不在的、多个对象同时动作的“并行”活动，在单台计算机中，却极少能够真实模拟。现代计算机软件系统中，绝大部分都只呈现“伪并行”活动：从宏观上看，一台计算机能够同时执行多个任务、多个程序，若干对象同时在运行；但从微观上看，在任一瞬间、任一时刻，则只有一个程序在运行。由于处理器速度非常快，它在几个程序间来回快速切换，经过稍长一段时间，我们就觉得这几个程序是在同时执行、同时活动。这种现象，通常称之为“并发”，以区分严格意义上的“并行”活动。

一般在操作系统等中低层软件中，提供相应的并发技术实现机制，并对外提供专门的并发服务接口，以便上位程序能完成并发活动。上位应用程序，则调用这些并发服务接口，使自己呈现为一个或多个并发的任务。

并发实体(任务、进程、线程、纤程等)间的调度操作(用于操作系统、软件总线等)，提供了并发技术的实现机制。现代操作系统中，剥夺式调度是普遍采用的调度策略。但它具有若干致命弱点，试列举如下：

(1)堆栈空间问题：剥夺式调度随时可能打断并发实体的执行过程，因此需要保护与恢复并发实体运行环境(最少需要包含指令寄存器等)，这需要RAM堆栈空间。在普通运行场合(如PC机)，这个问题不突出。但在大量并发实体(如单片机在数千网络连接)的情况下，问题将变得相当突出；在RAM稀缺的特殊场合(如WSN应用)下，调度将变为不可行。

(2)执行效率问题：由于需要保护与恢复并发实体运行环境，这部分调代码的执行是必须增加的。在非常轻量级调度的情况(如TinyOS)下，相对于调度整体执行时间，它所增加的执行时间是非常可观的，严重影响了轻量级调度的执行效率。

(3)竞争共享问题：剥夺式调度随时可能打断并发实体的执行过程，因此，所有并发实体间共享的数据与资源，都成为被竞争的对象，变成临界资源。如果把所有的这些被竞争对象，都用临界区或其它统一的通用措施保护起来，那么系统的整体运行效率将会降低到不可接受的程度。如果精心设计共享结构，只采用通用措施保护部分对象，则在编程与维护代码时，稍不当心就会引发临界资源竞争导致的时序故障(这类故障还特别难以重现与定位)，对编程人员与维护人员的职业素养要求将会提高很多，提高了设计与维护成本，降低了系统可靠性。特别是对于大量无规律的共享并发数据(如上百个不同的特殊线程)，在编程实践中，一般开发人员都望而生畏，除非特别必要，均避而远之。

(4)竞争复用问题：前述为了效率提升而进行优化的数据共享设计，会带来代码复用性问题。由于针对项目的竞争环境，采用了针对性地消除竞争的共享数据保护代码，这些代码一般不具备普遍的通用性。即使对于其它非常相似的项目，也很有可能面对的是其它不同的数据竞争条件，因此，需要做出另外优化的数据共享设计，不能直接复用原来模块。

TinyOS是加州大学伯克利分校(UC Berkeley)为无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)开发的微内核操作系统。TinyOS的两层调度方式为：任务调度与硬件事务调度。硬件事务调度由硬件中断激活，可抢占普通任务，主要用于高优先级的快速实时响应。它基本雷同于一般中断处理程序，稍有出入的地方在于：它可以向任务调度发送信号，激活普通任务；同时，还能利用nesC关键字async的异步能力，直接调用进入到nesC构件系统中，调用构件中的命令处理函数，并给构件发送异步事件。

TinyOS的基本任务为无参数函数。任务调度采用协同式的先进先出(FIFO)算法，任务之间互不抢占，没有优先级之分。一旦一个任务获得了处理器，就一直运行到结束。一般用于对时间要求不高的应用，本质上是一种延迟计算DPC(Deferred Procedure Call)机制。TinyOS 2.x调度器可由用户定制与替换。