组态软件实现组件间通信的一种典型技术 　　1 引言 　　组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具，目前已经在各个行业和领域得到了广泛应用。组态软件伴随着DCS及计算机控制技术的发展而逐渐成熟进来，组件化、分布式已经成为组态软件的基本特征。优秀的组态软件大多将它的实时数据库、HMI、I/O服务器、数据服务器等几个主要部分设计成分别可独立运行的组件。这些组件可以同时运行在一台计算机内，也可以分布式地运行在不同的计算机内，通过网络等方式实现组件间的通信。这种体系结构可以让用户灵活地配置自己的系统，合理地分配各个服务器的运算负荷。 　　但实现组件化同时也带来了软件设计上的复杂性。特别是如何实现组件间的高效、实时、可靠地通信成为一个关键问题。 　　 　　2 组件间通信技术 　　组件间在实现通信过程时，包括两种方式：本地方式和远程方式。在设计时，可以考虑将本地方式作为远程方式的基础。或者说，实现了本地通信，也就实现了远程通信。因为可以将组件间交换的数据通过远程方式，传送到目的机后，再通过本地方式与远程组件通信。下面我们分别讨论如何实现组件间的本地通信和远程通信。 　　 　　3 本地通信 　　组件间实现本地通信时，在底层上要解决的本质问题上是进程间通信问题。进程间通信是一种与OS密切相关的技术。本文所介绍的方法是以微软的Windows操作系统为基础的。Windows各个版本的操作系统都提供了丰富的进程间通信手段。从早期版本提供的管道、邮件槽、DDE技术，到后来推出的COM技术，以及目前最新的“.NET”中提供的全新方法等。本文介绍的技术属于“传统”技术，它的基础是Windows的消息传递功能，同时辅助内存文件映射和信号量技术。笔者认为这种方法有以下几个优点： 　　1)、实现简便。因为涉及的技术都不很复杂，因此实现起来比较容易。 　　2)、实时性高。这种方法使用的都是OS的底层技术，中间环节少，运行效率高，可以实现快速数据通信。 　　3)、移植性好。因为采用的是OS底层技术，这种方法受OS版本升级的影响很小，也很容易移植到非Windows操作系统上。而某些进程间通信技术，如DDE，在新版的Windows操作系统上已经不再被支持。其它一些技术也因OS升级在接口形式和实现方法上发生了很大变化，使应用程序受到影响。 　　4)、功能可控性好。这里的可控性是指开发人员在使用一种技术时，能否有效地控制这种技术的运用。例如，开发人员在选用一种技术时，如果这种技术作了过多的封装，虽然应用简单，但要实现自己的灵活控制时就会处处受缚。 　　5)、可靠性易控。这一点与上面提到的可控性是相关的。操作系统越是底层的技术，可靠性就越强。封装得越多的技术，其可靠性就越无法控制。 　　6)、对系统环境的适应能力强。这个问题可以用一个简单的例子说明：用过基于COM/DCOM技术开发的软件产品(如：OPC类软件)的用户，很多人都经历过因不同系统环境而必须面对COM/DCOM复杂配置的困惑。 　　本地通信在计算模式上仍然属于C/S结构。主要问题是如何实现多个Client与Server之间快速、并发式的数据交换。下面结合实例进行说明。 　　假设Client和Server是采用这种技术的客户端和服务器端程序，它们都是基于窗口的独立进程。每次进行数据交换时Client向Server发送一个请求报文，Server收到请求报文后，再向Client回复一个应答报文，如此不断往复。 　　因为可能有多个Client与同一Server同时进行快速数据交换，因此上述交互过程必须采用异步方式方能保证可靠性和并发性。为了实现方便，需要抽象一个专用于进程通信的中间件ICom以供各个Client同时调用。ICom提供3个最基本的接口： 　　1)、Open()。在这个接口里ICom实现的功能包括：初始化用于数据交换的内存映射文件、创建上行(Client到Server)和下行(Server到Client)事件通知的信号量对象、创建用于防止共享冲突的信号量对象，启动服务线程，同时Client向Server发送消息进行身份认证和注册。 　　2)、Close()。Client在关闭进程或断开与Server的通信时调用该接口。这个接口ICom要释放在执行Open()方法时创建的对象资源，同时Client向Server发送消息执行注销操作。 　　3)、SendMessage()。Client向Server发送报文时调用该接口。 　　这里重点介绍报文的传递过程。 　　当Client调用ICom的SendMessage()方法向Server发送报文时，需要使用信号量控制时序。当用SDK函数SendMessageTimeout()将报文发送给Server后，通过信号量等待Server的回复，一旦等到回复信号，便知道Server已经将回复报文放到内存映射文件中，就可以取得该报文并以参数的形式传递给Client。 　　为了接收对方发送的消息，Server程序的主窗口类上要增加消息“WM_COPYDATA”的映射函数。当Client调用ICom的SendMessage()方法向Server发送报文时，Server会立刻接收到WM_COPYDATA消息，并通过消息参数获取报文信息。但是Server在接收到请求报文后并不立即处理、回复，要首先用ReplyMessage()方法对WM_COPYDATA消息进行应答，以免对方进程发生无谓等待，然后将报文放到内部缓冲队列中，再向自身的主窗口用PostMessage()发送一个通知消息，在另外一个消息映射函数中处理缓冲队列中的请求报文。Server的这种处理机制是保证交互过程为异步方式的关键。这种异步机制非常重要，它可以在多个Client程序与Server之间进行频繁的大数据量交换时合理地分配CPU资源，避免发生“死锁”现象。 　　Server解析请求报文的内容，将回复报文放至ICom中分配的内存映射文件中，并通过信号量通知ICom接收回复报文。一次完整信息交互过程完成。 　　报文的格式由报头和数据尾两部分组成。报头为固定结构，其中要包含消息号、数据长度、Client的ID等信息。数据尾部分为不定长的任何内容。 　　 　　3 远程通信 　　远程通信完全建立在本地通信的基础之上。但要增加两个专用于网络通信服务的组件：NetClient和NetServer。NetClient和NetServer也是两个完全独立的进程。以采用TCP/IP网络为例，NetClient和NetServer分别相当于Socket client和Socket server端。NetClient和NetServer并不关心传送的报文的内容，它们只负责网络连接的建立、报文的传输、网络通信故障时的数据缓存与恢复等。 　　仍结合上一节中的实例。当Client程序与Server进行远程数据交换时，Client将与NetClient运行在同一计算机内，而Server与NetServer运行在同一计算机内。此时ICom将Client的请求报文首先通过本地通信方式发送给NetClient，再由NetClient通过网络发送给远程的NetServer，然后由NetServer通过本地通信方式传送给Server。而Server的回复报文的传送过程正好相反。 　　在实际开发产品时，NetClient和NetServer可以设计成为更具广泛意义上的网络服务组件。除了支持TCP/IP网络，还可以支持UDP/IP、串行通信、GPRS等任何一种通信形式。而无论使用哪一种通信方式对于Client和Server来说都是完全透明的，这也正是产品实现组件化的优势所在。 　　 　　4 结束语 　　组件间通信技术是设计组态软件、数据通信类软件的关键技术之一。如何能够在实现快速、高效、多用户并发处理的前提下，保证可靠性、灵活性和广泛适应性，值得设计人员思考。本文介绍的技术在笔者设计的组态软件产品中多处得到运用，经过逾千应用案例的证明是成熟可靠的。