原创 消息驱动机制【转】

 计算机本质上是信息处理机，输入数字化的数据，按照程序规定的步骤进行处理，输出指定的动作和时序，从而完成控制任务和信息处理。这里的关键是信息的输入，有了输入，后续处理和输出是水到渠成的事。那么怎样高效率地得到输入信息呢？有一种叫做消息驱动的机制可以比较完美地实现这个目的。
    
    消息有两层含义：1、消息发生的时间点（事件，动态概念）；2、消息内容（信息，静态概念）。消息发生触发一个事件，用以主动通知信息的到来。有实际意义的系统中消息发生时间是随机的，由OS异步捕获此事件，再分发给对应的处理程序。之所以由OS负责通知消息，而不是由应用程序自己捕获，盖OS掌控系统的全部资源，一切事件均应知会OS，以便其全面参与系统管理。消息内容就是信息本身，是计算机的输入数据源，是实际要处理的内容。
    
    信息处理是计算机的灵魂，消息就代表到达的信息。利用消息驱动计算机输入的机制，显得自然、简洁、富有美感。程序的作用是事先编排好信息到达后的处理流程，但是信息何时到达却不能事先预测。也就是说，程序员可以预知所有可能的信息范围，但无法肯定哪个信息一定会到，何时到。这种情况导致两种处理方法：被动轮询和主动通知。消息属于主动通知一类。
    
    在硬件中，控制电路由有限状态机（FSM）实现，在软件中，消息处理由有限消息机（FMM）实现。关于竖着写的FSM和横着写的FMM，在《状态机的两种写法》一文中有详细说明，此处不再赘述。消息按到达次序被缓存在先入先出（FIFO）队列中（可以根据消息的实时性要求将消息队列分成高低两个优先级，但本质上消息还是要按照次序排队），依次由接收程序串行处理。
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    *消息是什么？*
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    |消息就是对象|
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    他有自己的属性（成员）和方法（动作），同时隐含代表信息到达事件。当发生msg.event事件后，程序开始处理消息体msg.body，怎么处理？调用初始化时注册的回调函数msg.callback。即：if( msg'event ) msg->callback(msg->body);。消息主动通知OS信息到达，并自行给出处理方法，甚至自己选择下一步的目的地。这样信息就有了生命力，可以自主流动，自行工作。消息驱动就是要给信息的流动提供一种机制，他可以分发消息，缺省处理消息，销毁消息，异常处理，按指定动作处理消息。一旦实现这种机制，能够普适所有的消息处理情况，增改删操作不过就是实现新的消息和动作罢了，机制完全不必变化。从很小的系统到很大的系统，这种机制都能很好地适应，因为他们的本质都是为信息的流动提供一个通用平台。
    在PPP协议框架实现中，为节省代码量，LCP和IPCP复用同一个协商状态机FSM，完成相同的请求(req)、确认(ack)、否定(nak)、拒绝(rej)等一系列动作，LCP和IPCP可以看成协商状态机FSM的类实例。他们的动作完全相同，但属性，即协商的内容不同，一个是用于链路控制的选项协商，一个是用于NCP为IP协议时，IP地址、子网掩码、DNS1、DNS2的协商。在初始化时，将LCP的FSM回调函数注册为LCP的消息处理函数，将IPCP的FSM回调函数注册为IPCP的消息处理函数。当LCP消息到达时，FSM调用LCP注册的回调动作处理LCP的消息内容。回调函数准确地给出了当特定消息发生时要执行的私有动作，OS仅仅起到消息转发和通知的作用，他不提供专有的消息处理，而消息是对象，他本身就有处理私有属性的方法。从消息驱动的角度，PPP协议框架就是一堆消息对象的集合。当拨号成功时产生lowerup(底层已备)消息，通知PPP开始协商，LCP用req/ack/nak/rej消息协商链路选项，然后用约定的认证协议鉴权，继而IPCP获得IP地址信息，产生ipcpup消息，此时ip_input入口开始接收ip_arrive消息，并根据协议类型依次转发IP包消息到icmp_input、igmp_input、udp_input、tcp_input、raw_input等入口点。
    在Windows的设备驱动模式WDM中，引入了驱动程序对象和设备对象概念，利用I/O请求包IRP在各层设备对象(xDO:FDO/FilterDO/PDO)间传递设备控制消息。I/O管理器将上层打开open，关闭close，I/O操作ioctl，读read，写write等操作转化为IRP消息传到核心层，核心层的设备驱动在DriverEntry入口点注册消息回调函数，完成对即插即用PNP、电源管理PM、上层IRP设备控制、WMI等消息的私有处理。每个设备对象都可以申请自己的设备扩展内存区，以便保存私有数据。撰写win设备驱动，就是在写回调函数，只不过win已经定义好大部分消息，我们只要提供对应的处理程序即可。常常感觉win编程不过就是在实现一坨一坨的动作代码，然后就等着win发消息来调用，再就是满眼的switch/case语句分别处理不同的消息。程序员的责任是选择正确的系统API函数，保证动作执行准确无误。除了内存在保护模式下映射来映射去，硬件串行化访问，DMA和中断处理，各种总线驱动API，各种协议驱动，剩下的就全是消息处理了。值得一提的是完成例程的设置IoSetCompletionRoutine，通过设置完成回调例程和上下文私有数据区，我们可以拦截下层消息。因为下层何时能完成处理的时间不确定，如果程序死等I/O处理完成将浪费大量CPU处理能力。如果设置回调后挂起，让出CPU，等到I/O处理完成后再被激活，那么这种程序结构是最合理的。例如在批量USB处理时，URB缓冲区可能装不下整个发送数据，需要分片传递。方法就是设置好完成回调，然后把IRP传到下层，挂起。一旦下层完成USB收发，就会发消息激活完成回调，完成回调根据保存的上下文实现分片传输，直至完成全部数据传送，然后向上层发消息通知I/O处理完毕。
    类似消息激活在智能网程序里也有体现。主叫用户摘机后播放提示语音，在此期间如果用户拨号，马上停止放音。难点是不知用户何时拨号。如果设定一个固定延时，用户会感觉非常不友好。如果定时轮询用户是否拨号，至少要百毫秒周期，当用户量上到一万以上的时候，这种方式浪费太大。现在的放音机制是发个消息给语音板和交换网络，让其给主叫摘机用户放音，然后定时监视收号器，判断用户是否拨号。这样做用户数量不能做大。怎么办呢？和WDM的完成回调一样，创建一个信号量，发完放音消息后就把此信号量句柄连同post回调一起放在消息里发给收号器，然后挂起，超时等待在此信号量上，一旦收号器在任意时间收到用户拨号，就会把拨号消息反馈回来，系统调用我注册的私有Post回调响应此消息时就会释放此信号量，我的主程序就被唤醒激活，一点也不浪费CPU处理能力。而且超时机制能保证异常时的恢复。
    对于这种不确定时延的操作，使用消息驱动机制是非常有效的。例如：TCP协议使用connect原语建立连接，但是连接何时建立事先并不知道，也许信道质量好，三次握手很快就完成了；也许信道误码率高，拖延了很长时间才连上；甚至因重连次数大于6次而导致连接失败。在lwip实现中，应用层调用connect函数进行主动连接，在该函数内部实际上是生成一个消息发送给tcpip_thread线程，在此消息里包含了conn->mbox信号量句柄，然后，该函数阻塞等待在此信号量上。一旦底层完成三次握手，连接成功，就会触发TCP已连接事件TCP_EVENT_CONNECTED回调do_connect释放此信号量，connect随即退出阻塞。在应用层看来，connect一直阻塞到连接成功，如果不成功就返回-1。connect运行在用户线程，实际连接运行在tcpip_thread线程，通过消息回调，使两个不同线程的函数建立了同步关系，虽然TCP协议时延动态范围很大，达到秒级，但这种消息驱动机制能很好地适应变化。
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    |消息就是串行化处理|
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    多任务并行处理的好处是改善并发特性，提高实时性。但代价是需要处理同步、互斥、重入、阻塞等新问题。OS切换时间一般是10ms的整数倍，如果只有几百个进程（或以下），多任务的工作性能会有很好的表现。然而难以想象上千上万的进程同时工作的情形，那是注定要崩溃的。因此，Windows的TCP/IP协议栈使用“完成端口”技术自行管理socket连接，而不是每次接收(accept)到新socket连接就创建新线程。同样，Linux里也使用select管理多个socket连接。这样连接数可以做得很大，而性能又不会急剧下降。总之，用多任务方式不能实现大容量系统。由于串行化处理不存在并行，也就不会遇到同步、互斥等问题，一切处理都简单了，而且，没有任务切换，效率也高。需要注意的是，因为消息排在队列里，所以，队列空间一定要充足，否则当队列满时，消息会丢失。如果消息收发在同一进程，还有可能造成死锁。lwip移植中就会遇到此问题，因为lwip为了兼容不带OS的情况，把消息收发做在了一个线程里，以便有/无OS时都能正常工作，当消息队列满时，发阻塞，收也被阻止，必然死锁。建议消息收发尽量放在不同进程里，以免死锁。实在不行，也要尽可能加大队列空间。另外注意划分任务优先级时把等待消息的线程设高，以免队列中堆积消息太多而溢出。当然，消息驱动最好基于OS，因为OS实现的队列自动具有互斥功能，使用方便，挂起的任务也不浪费CPU时间片。我说的串行化处理不是整个系统都是串行的，那样就是前后台系统了，我说的是在多进程的某一个进程里实现串行化。
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    |消息就是任务|
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    上面所说的串行化处理可以大大提高系统处理容量，但是当容量达到一定数值时，内存和总线瓶颈会限制容量的进一步增长(例如静态双口RAM读写时延为7ns)。为了进一步提高吞吐率，必须将单CPU处理模式转换成阵列处理，以便突破系统瓶颈。在多任务系统中，堆栈保存了任务的现场信息，通过保存和恢复现场，我们可以实现多任务切换。同样，消息中也保存了完整的现场信息，自然可以看成独立的任务，只不过原来的任务现场信息保存在堆栈里，现在的任务现场保存在队列中。我们可以设想把当前任务的现场保存在消息里，然后把消息发送到目的地，由接收者在自己的系统空间中恢复任务现场，只要信息不丢失，任务就能在这里复活。有些系统应用程序和OS分离，应用程序通过软中断调用系统API，即OS可以动态加载应用程序；还有一些系统实现了虚拟机，隔离了硬件，屏蔽了平台差异，应用程序可以跨平台执行。在这些系统上，可以借助消息机制，使任务在不同平台间移动。例如：从主处理机移动到子处理机上执行，从中心处理机移动到边缘处理机等，从而减轻中心内存和主CPU的压力。确保安全的前提下，阵列中的各处理机并行工作，打破了速度瓶颈，信息象水一样地流来流去。
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    |消息就是信件|
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    在HJD04程控电话交换机里，我们把消息形象地称为信件。
    考虑日常工作中的例子：采购了一批电子器件，首先要填好入库申请单，呈负责人签字同意，然后到财务那里报账，财务再签章，最后带着器件找库管入库，库管核验通过后签字。这时，一式三份的入库单自己留一张，库管一张，财务一张。在整个过程中共有4人参与：我、负责人、财务、库管。除我之外，另外三人并不同时在场，甚至可能不在同一时间出现（例如，第一天找负责人，第二天找财务，第三天找库管），但这并不妨碍我顺利办理器件入库，只要我有入库单在手。整个过程中，3个人通过入库单建立了联系：负责人审批，财务入账，库管入库。换句话说，入库单将3人耦合到了一起。不过3人不存在直接调用，也没有复制入库单副本，而是全凭单子上的签章作业。这样，每个人（处理机）在处理入库单（消息）后，签上字（增加消息内容），然后发给下一个人，自己再去干别的，而过程中自己并不保留入库单副本（临时中间变量）。尽管每个人都没有刻意记住曾经签过字（只在签字前花些时间思索了一下，过后可能就忘了），但是入库单上保存了所有信息，入库工作会有条不紊地按程序进行。3个人可能都不知道完整的事态发展，但他们只要在自己的工作范围内付出一些处理能力，就能促进整个任务的完成。
    04交换机采用阵列处理，消息驱动机制，处理能力等效20万用户线。当主叫摘机后产生主叫摘机信，信中存有主叫号码，用户级别等信息。主机收到此信后批示申请资源（交换网络和收号器），然后将其转发给交换网络板，网络板查找空闲链路，登记为占用，并在信中批注网络资源申请成功和链路号。将此信转给记发器板，记发器板查找空闲收号器，登记为占用，并在信中批注收号器申请成功和记发器号。最后，此信又传回了主机。主机了解到资源全部申请成功，就命令向主叫发拨号音并给记发器板发收号监视信，以便收号结束后传回收号结果。此过程中各个子处理板并不保留中间信息，如用户信息，结果信息等。所有信息全部保存在信里。各子处理板处理完信件，会立即忘掉刚才处理的内容。跳过中间处理过程的叙述，一旦被叫摘机，会立即产生主叫计费开始信，此后任何一方挂机将产生计费结束信。计费台根据主被叫号码，用户级别，时段，节假日，起止时间等分段计算费用，并将话单存入数据库。为了防止进程死机，设计了一个高优先级监控进程，其他各进程定期向监控进程发联络信，说明自己是谁，表明自己还活着。一旦超时未收到联络信，监控进程就重启那个死掉的进程。
    采用信件处理的方式易于理解和实现。信件可以生成、销毁、转发、回复、修改、复制，给实际操作带来了便利。只要增加新的信件种类就可以扩充系统功能，而处理机制仍然保持不变。
    
    在消息驱动的系统中，内存非常关键，不能出错。硬件上采用双机热备份，实时纠错等手段，能够提高系统稳定性。对于有限的内存空间，最好使用动态内存管理。