CN100375542C - 一种通信设备软件子系统的消息调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信设备软件子系统中消息的组织和调度，特别是涉及大型通信设备软件子系统的一种快速高效的消息调度方法。该方法包括将原始消息注册表构造成集中或分布式消息映射表，在构造过程中寻找并确定消息号或消息关键字与其存放地址的对应关系，当这种对应关系采用哈希函数方式表示时，产生地址冲突时，采用可动态优化的链表来解决。利用本发明提供的通信设备软件子系统的消息调度方法，对任意规模的消息映射表，只需有限的步骤即可找到消息处理过程和字节转换函数的入口，降低了字节顺序转换出错的机会，既快速又高效，适合于大型通信设备软件子系统的消息调度。

Description

一种通信设备软件子系统的消息调度方法

技术领域

本发明涉及通信设备软件子系统中消息的组织和调度，特别是涉及大型通信设备软件子系统的一种快速高效的消息调度方法。

背景技术

软件子系统要实现消息调度机制，需要维护一个消息映射表。按消息映射表的存储方式划分有两种，一种是如图1所示的存储位置离散的分布式消息注册表，另一种是如图2所示的存储位置相邻的集中式消息注册表。

一个分布式消息注册表可由n个被称为消息注册子表的数据结构组成，其中的消息注册子表可以是集中式消息注册子表，又可以是分布式消息注册子表。因为消息注册表是由程序员在编程时定义、输入数据并提供空间。因此，注册消息的接口数据在消息注册表中的相对位置是随机的。消息号与消息接口数据在消息注册表中的存储位置之间不存在确定的对应关系。如果不对消息注册表进行预加工，直接使用消息注册表的存储空间生成消息映射表，虽然能高效地利用存储空间，但是在消息调度程序定位消息在消息映射表中的位置时，唯一能使用的方法是对消息号进行逐一的匹配比较。查找的效率依赖于查找过程中所进行的比较次数。对一个规模为n的消息映射表，其平均查找长度为n/2。随着消息映射表规模的增大，软件子系统的调度效率急剧下降。采用上述方案的现有技术，如微软的VisualC++的MFC编程框架的消息映射处理机制，以及C和C++语言中编译器对Switch-Case语句的处理，均存在查找效率低的问题。

现在来说明微软的VisualC++的MFC编程框架的消息映射处理机制和C、C++语言中编译器对Switch-Case子系统的处理。从VisualC++提供MFC编程框架源码可以看到：MFC编程框架维护着一个分布式的消息映射表，当MFC的消息调度框架接收到一个消息时，在消息映射表中通过比较匹配查找到该消息对应的消息处理函数的入口，依此进行调度。位于消息映射表位置k的消息接口在调度时需经过k次比较。当消息规模不大或者系统对效率不敏感时，这种匹配方法是可以接受的。但是当系统要求高效率调度时，使用这种匹配方法显然是不合适。从编译后的汇编代码可以看到：C、C++语言的编译器把Switch-Case子系统认为是if-else的另一种表示方式。在这里存在一个抽象的分布式的消息映射表。系统通过比较匹配查找到相应的Case入口。当Case分支数不多时，系统调度的效率可以接受。但是当系统要求高效率调度时，使用这种匹配方式对Switch-Case子系统进行调度显然不合适。而且，以上两个例子还有一个不容易注意到的缺陷：即在实际应用中，每一个消息、每一个Case分支被使用的频率是不同的，因此，难以为每一个实际的系统提供最佳的调度策略。

在大型通信设备中还存在不同处理机之间的消息在交互时出现的字节顺序问题。如x86是低字节在低地址(小模式)，PPC是高字节在高地址(大模式)。将字节顺序问题完全交给应用层解决不仅程序效率低，而且容易出错。在以上描述中，x86表示Intel公司386、486、pentium系列的处理器芯片。PPC表示Motorola、IBM的PowerPC系列的处理器芯片。在这两种处理器芯片之间进行通信，就存在字节顺序问题。例如，对内存中按12345678方式排列的数据，x86认为是0x78563412，PPC则认为是0x12345678。传统的处理方法是将数据转换成网络序(大模式)进行交互，数据到达后，在各处理器上再根据自身字节顺序跟网络序的差异进行转换。因此当两边都是小模式处理器芯片时，就存在冗余的转换。而且程序员常常会因为遗忘对字节顺序的处理而导致数据辨认出错。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种适用于大型通信设备软件子系统的快速消息调度方法，使其能对每一个实际的系统提供最佳的调度策略，达到时间上最优的调度效果，同时实现存储空间的高效使用。

本发明的上述技术问题是这样解决的，构造一种通信设备软件子系统的消息调度方法，包括以下步骤：11)对一个规模为n的分布式的原始消息注册表，申请一个大小为n的指针n的指针数组并根据规模n确定一个可以接受的冲突链表的最大长度L<n；12>选择一个哈希函数对其消息号或消息关键字产生一个处于[1，n]区间的哈希地址；13>扫描原始的消息注册表，对每一个消息关键字产生其哈希地址，以该产生的哈希地址作为前边申请的指针数组的索引，把该索引对应的指针指向该消息关键字对应消息的接口表项的存储地址，如果发生两个或多个索引指向同一个接口表项的则以链表方式解决；4>如果消息注册表哈希化后的消息映射表的冲突链表的长度小于预定长度L，则消息注册表的哈希化成功，否则返回步骤2>；

所述消息注册表的哈希化成功后执行以下步骤：21)收到一个消息时，以该消息的关键字为依据，根据前述步骤确定的所述哈希函数计算出该消息关键字的哈希地址；22)依据计算出的该哈希地址获得消息处理入口进行相应的消息处理，如果该哈希地址存在冲突链表，则进行比较匹配，找到与消息关键字对应的消息处理过程入口则进行相应消息处理；23)将该消息的使用记数加1，比较该消息接口与它在冲突链表的前一个消息接口的使用记数，如果大于则进行优化，调整其在冲突链表中的位置，等待下一个消息进行调度。

在按照本发明提供的方法中，所述步骤23)进一步还包括以下步骤：对每个消息接口保存一个使用记数的记录，以及每次该消息接口被调度时，该使用记数的值加1，如果当前消息接口的使用记数大于其冲突链表中前一个消息接口的使用记数，则将这两个消息接口在冲突链表中的位置进行互换，只到当前消息接口的使用记数不大于处于其冲突链表前的消息接口的使用记数。

在上述按照本发明提供的方法中，还包括以下步骤：在应用层定义并注册消息的字节消息交换函数；由调度系统判断源处理机与本地处理机的字节顺序是否一致，如果不一致则调用应用层注册的所述字节消息交换函数来完成字节转换。

在上述按照本发明提供的方法中，用程序员提供的消息注册表的存储空间来存放消息映射表。

在按照本发明的另一个方面提供的一种适用于通信设备软件子系统的消息调度方法中，包括以下步骤：

61)备份消息注册表，把原始消息注册表的所有表项设置为未使用，备份消息注册表的所有表项为“未哈希”；

62)根据规模数n，确定一个可以接受的冲突链表的最大长度L；

63)选择一个哈希函数使其对消息注册表中消息号产生的哈希地址出现在[1，n]区间；

64)第一次扫描备份消息注册表，以消息号的哈希地址为索引在原始的消息注册表中存储该消息接口，并加上占用标志，同时在备份消息表中把该消息接口加上哈希成功标志，当发生哈希地址冲突时，略过该消息接口的处理，留待第二次扫描加以处理；

65)第二次扫描备份消息注册表，在原始消息注册表中找到未用的表项空间用于存储备份消息注册表中未哈希成功的消息接口数据，并把该表项附加到相应的冲突链表中，生成一个集中式的进程的哈希消息映射表；

66)如果所述哈希消息映射表冲突链表的最大长度小于L，则哈希化成功，释放备份的存储空间，否则，重置原始消息注册表为未使用，重置备份消息注册表为未哈希，返回到步骤62)。

在上述按照本发明提供的方法中，所述消息注册表的哈希化成功后执行以下步骤：71)收到一个消息时，以该消息的关键字为依据前述步骤确定的所述哈希函数计算出该消息关键字的哈希地址；72)依据计算出的该哈希地址获得消息处理入口进行相应的消息处理，如果该哈希地址存在冲突链表，则进行比较匹配，找到与消息关键字对应的消息处理过程入口则进行相应消息处理；73)将该消息的使用记数加1，比较该消息接口与它在冲突链表的前一个消息接口的使用记数，如果大于则进行优化，调整其在冲突链表中的位置，等待下一个消息进行调度。

在上述按照本发明提供的方法中，所述步骤73)进一步包括以下步骤：对每个消息接口保存一个使用记数的记录，以及每次该消息接口被调度时，该使用记数的值加1；如果当前消息接口的使用记数大于其冲突链表中前一个消息接口的使用记数，则将这两个消息接口在冲突链表中的位置进行互换，直到当前消息接口的使用记数不大于处于其冲突链表前的消息接口的使用记数。

在上述按照本发明提供的方法中，还包括以下步骤：在应用层定义并注册消息的字节消息交换函数；由调度系统判断源处理机与本地处理机的字节顺序是否一致，如果不一致则调用应用层注册的所述字节消息交换函数来完成字节转换。

在上述按照本发明提供的方法中，用程序员提供的消息注册表的存储空间来存放所述消息映射表。

实施上述按照本发明提供的通信设备软件子系统的消息调度方法，对任意规模的消息映射表，只需有限的步骤即可找到消息处理过程和字节转换函数的入口，降低了字节顺序转换出错的机会，既快速又高效，适合于大型通信设备软件子系统的消息调度。

附图说明

图1是分布式消息注册表的示意图。

图2是集中式消息注册表的示意图。

图3是分布式消息注册表哈希化生成的分布式消息映射表的结构示意图。

图4是集中式消息注册表的哈希化生成集中式消息映射表的结构示意图。

图5是说明按照本发明方法进行消息调度方法的流程图。

图6是集中式消息注册表哈希化为消息映射表的流程图。

图7是分布式消息注册表哈希化为消息映射表的流程图。

图8是本发明一个实施例的通信产品中实时操作系统平台的快速高效的进程消息调度中的实现流程图。

具体实施方式

为解决通信设备软件子系统的消息快速映射问题，本发明的方法在消息映射表中引入了哈希表的思想，即通过在消息关键字和它的存储位置之间建立一个确定的对应关系以避免比较，从而使之适用于大规模软件子系统的进程消息调度。同时，考虑到消息号由程序员在编程时提供的，具有一定的随机性，因此无法为任意一组用户定义的接口关键字提供一个完美的互不冲突的哈希函数，消息关键字的哈希地址冲突不可避免，为保证在有效处理冲突的同时实现高效的消息调度和高效的利用存储空间，本方法采用了用链表解决哈希地址冲突的办法，并通过高效利用程序员提供的消息注册表的存储空间来避免空间的浪费。此处，未采用其他非链表方式解决哈希地址冲突(如再哈希)，是因为非链表方式在解决哈希地址冲突问题的同时会引入非同义词的哈希地址冲突，增加了哈希地址冲突的数量，影响调度的性能，而且不容易对实际的系统进行动态优化。

对于集中式的消息注册表，本方法提供了更优的哈希消息映射表生成方法，不需占用任何额外空间。在哈希化中形成的备份的消息注册表在消息映射表生成后会被释放。因此，只需在生成哈希消息映射表的过程中变换消息接口在消息注册表的存储位置即可，如图2所示集中式注册表经过本发明方法的哈希化形成的哈希化的集中式映射表的结构情况如图4所示。由于采用一种二次扫描的方法将集中式的消息注册表转换成哈希化的集中式消息映射表，完全避免了存储空间的浪费。本发明方法采用这种二次扫描技术进行哈希化的具体过程步骤如图6所示。首先在框601中，备份消息注册表，把原消息注册表的所有表项设置为未使用，备份消息注册表的所有表项为未哈希。根据规模n确定一个可以接受的冲突链表的最大长度L；在框602中，对规模为n的消息注册表，选择一个哈希函数使其对消息注册表中消息号产生的哈希地址出现在[1，n]区间；在框603中，第一次扫描备份的消息注册表，以消息号的哈希地址为索引在原消息注册表中存储该消息接口，并加上占用标志，同时在备份消息注册表中把该消息接口加上哈希成功标志，当发生哈希地址冲突时，略过该消息接口的处理，留待第二次扫描加以处理；在框604中，第二次扫描备份的消息注册表，解决哈希地址冲突问题，在原始消息注册表中找到未用的表项空间用于存储备份消息注册表中的消息接口数据。并把该表项附加到相应的冲突链表中，生成哈希消息映射表。因为在原始消息注册表中，只要有一个哈希地址冲突，依据抽屉原则，那么必然存在一个表项空间富余，因此，不会有空间浪费和不足的问题；在框605中，评价该哈希消息映射表冲突链表的最大长度，满足要求，则成功，释放备份的空间；否则，重置原始消息注册表为未使用，重置备份消息注册表为未哈希。返回到框602。

对于分布式的消息注册表，采用链表方式处理冲突，只需要一个额外的指针数组空间即可生成哈希的分布式的消息映射表。由于采用链表方式解决哈希地址冲突，因此，对于分布式的消息注册表，软件子系统只需申请一个额外的指针数组空间，通过指针指向原始的消息注册表的表项，不需移动任何数据，即可快速高效的生成哈希表，，例如，图1所示分布式消息注册表，经过哈希化后形成的分布式消息映射表如图3所示。而将图1所示分布式注册表的哈希化为如图3所示分布式消息映射表的过程步骤如图7所示。

在框701中，对一个规模为n的分布式的原始消息注册表，申请一个大小为n的指针数组并根据规模n确定一个可以接受的冲突链表的最大长度；在框702中，选择一个哈希函数对其消息号产生的哈希地址，哈希地址在[1，n]区间；在框703中，扫描原始的消息注册表，对每一个消息关键字产生其哈希地址，以该哈希地址为前边申请的指针数组的索引，把该索引对应的指针指向该消息关键字对应消息的接口表项，如果发生冲突以链表方式解决；而在框704中，评估哈希化后消息映射表的冲突链表的长度小于预定长度，则消息注册表的哈希化成功，否则返回到框703。

对于分布式的进程消息注册表中的消息规模庞大的集中式注册子表，本方法也可以采用集中式消息注册表的处理办法，以尽量减小存储空间的浪费。

本发明方法严格限制冲突链表的长度，以获得最佳的调度性能。为此，本发明方法采用自适应选用哈希函数对每组用户定义的接口生成哈希地址的办法以防止某组消息接口数据哈希化后，冲突数过多而影响系统消息调度的性能。

由于在实际应用中，消息的发生频率各不相同，为进一步提高系统消息调度的实际性能，可采用动态优化哈希地址冲突的消息接口在链表中的位置的办法，使用频率高的接口放在冲突链表的前边，减少系统对冲突链表中的消息接口进行调度时，实际进行匹配比较的次数，达到快速调度的目的。

为解决大型通信设备中存在的不同处理机之间的消息的交互时会存在字节顺序问题。本方法由应用层与调度系统协同解决。应用层定义并注册消息的字节交换函数。由调度系统根据源处理机的字节顺序与本地处理机是否一致来决定是否调用应用层注册的消息交换函数来完成字节转换。

在实施本发明的方法时，具体可以在软件编程阶段，应用层的程序员注册消息处理函数和字节转换函数的入口。在软件子系统初始化阶段，对软件子系统上层应用的程序员编程时提供原始的消息注册表进行哈希化处理，充分利用原始的消息注册表的存储空间生成进程哈希消息映射表。同时，可以由调度系统根据源处理机的字节顺序与本地处理机是否一致来决定是否调用应用层注册的消息交换函数来完成字节转换。即，如果源处理机与本地处理机的字节顺序一致，则无须字节交换，否则，调用应用层注册的消息交换函数来完成字节交换，从而最大限度减少因为程序员的遗忘而导致的程序错误。

按照本发明的通信设备软件子系统的调度过程如图5所示，它是根据图6或图7生成的消息映射表进行的。具体是在软件子系统的运行阶段，当消息调度系统接收到一个消息时(框501)，利用哈希函数计算出该消息对应的消息处理过程入口的存储位置(框502)，进行消息调度(框503)，同时采用实际运行时的频率统计，优化调整冲突链表中消息接口的顺序(框504)，提高调度的实际效率，完成后等待下一个消息进行调度(框505)。

本方法应用实施例之一：某通信产品的实时操作系统平台中的快速高效进程消息调度机制。操作系统上层应用的程序员提供一个集中式消息注册表，在操作系统的进程初始化阶段，用二次扫描的方法完成消息注册表的哈希化生成一个集中式的进程哈希消息映射表。如附图8，(1)先备份消息注册表，把原始消息注册表801的所有表项设置为未使用，备份消息注册表802的所有表项为未哈希。根据规模n此处为14，确定一个可以接受的冲突链表的最大长度4；(2)选择一个哈希函数使其对消息注册表中消息号产生的哈希地址出现在[1，14]区间，此处哈希函数为消息号mod14；(3)第一次扫描备份的消息注册表，以消息号的哈希地址为索引在原始的消息注册表中存储该消息接口，并加上占用标志，同时在备份消息注册表中把该消息接口加上哈希成功标志，当发生哈希地址冲突时，略过该消息接口的处理，留待第二次扫描加以处理，第一次扫描后的原始消息注册表和备份消息注册表如803和804指出；(4)第二次扫描备份的消息注册表，解决哈希地址冲突问题，在原始消息注册表中找到未用的表项空间用于存储备份消息注册表中未哈希成功的消息接口数据。并把该表项附加到相应的冲突链表中，生成一个集中式的进程的哈希消息映射表，如805指出；(5)评价该哈希消息映射表冲突链表的最大长度，满足要求，则成功，释放备份消息映射表806的空间。否则，重复(2)步骤。

当操作系统的进程消息调度系统接收到一个消息时，利用哈希函数计算出该消息对应的消息处理过程入口的存储位置，进行消息调度，同时采用实际运行时的频率统计，优化调整冲突链表中消息接口的顺序，提高调度的实际效率。

本发明方法应用实施例之二：在C、C++编译器中，当需要对大规模的Switch-Case调度系统进行优化时，编译器生成一个集中式的消息映射表，用二次扫描的方法完成消息映射表的哈希化。替换原来的调度代码，插入一段调度和优化代码，当调度系统接收到一个消息时，利用哈希函数计算出该消息对应的消息处理过程入口的存储位置，进行消息调度，同时采用实际运行时的频率统计，优化调整冲突链表中消息接口的顺序，提高调度的实际效率。

Claims (8)

1.一种适用于通信设备软件子系统的消息调度方法，其特征在于，包括以下步骤：11)对一个规模为n的分布式的原始消息注册表，申请一个大小为n的指针n的指针数组并根据规模n确定一个可以接受的冲突链表的最大长度L＜n；12)选择一个哈希函数对其消息号或消息关键字产生一个处于[1，n]区间的哈希地址；13)扫描原始的消息注册表，对每一个消息关键字产生其哈希地址，以该产生的哈希地址作为前边申请的指针数组的索引，把该索引对应的指针指向该消息关键字对应消息的接口表项的存储地址，如果发生两个或多个索引指向同一个接口表项的则以链表方式解决；14)如果消息注册表哈希化后的消息映射表的冲突链表的长度小于预定长度L，则消息注册表的哈希化成功，否则返回步骤12)；

所述消息注册表的哈希化成功后执行以下步骤：21)收到一个消息时，以该消息的关键字为依据，根据前述步骤确定的所述哈希函数计算出该消息关键字的哈希地址；22)依据计算出的该哈希地址获得消息处理入口进行相应的消息处理，如果该哈希地址存在冲突链表，则进行比较匹配，找到与消息关键字对应的消息处理过程入口则进行相应消息处理；23)将该消息的使用记数加1，比较该消息接口与它在冲突链表的前一个消息接口的使用记数，如果大于则进行优化，调整其在冲突链表中的位置，等待下一个消息进行调度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤23)进一步包括以下步骤：对每个消息接口保存一个使用记数的记录，以及每次该消息接口被调度时，该使用记数的值加1，如果当前消息接口的使用记数大于其冲突链表中前一个消息接口的使用记数，则将这两个消息接口在冲突链表中的位置进行互换，只到当前消息接口的使用记数不大于处于其冲突链表前的消息接口的使用记数。

3.根据权利要求1或2所述方法，还包括以下步骤：在应用层定义并注册消息的字节消息交换函数；由调度系统判断源处理机与本地处理机的字节顺序是否一致，如果不一致则调用应用层注册的所述字节消息交换函数来完成字节转换。

4.根据权利要求1或2所述方法，其特征在于，用程序员提供的消息注册表的存储空间来存放消息映射表。

5.一种适用于通信设备软件子系统的消息调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

61)备份消息注册表，把原始消息注册表的所有表项设置为未使用，备份消息注册表的所有表项为“未哈希”；

62)根据规模数n，确定一个可以接受的冲突链表的最大长度L；

63)选择一个哈希函数使其对消息注册表中消息号产生的哈希地址出现在[1，n]区间；

64)第一次扫描备份消息注册表，以消息号的哈希地址为索引在原始的消息注册表中存储该消息接口，并加上占用标志，同时在备份消息表中把该消息接口加上哈希成功标志，当发生哈希地址冲突时，略过该消息接口的处理，留待第二次扫描加以处理；

65)第二次扫描备份消息注册表，在原始消息注册表中找到未用的表项空间用于存储备份消息注册表中未哈希成功的消息接口数据，并把该表项附加到相应的冲突链表中，生成一个集中式的进程的哈希消息映射表；

66)如果所述哈希消息映射表冲突链表的最大长度小于L，则哈希化成功，释放备份的存储空间，否则，重置原始消息注册表为未使用，重置备份消息注册表为未哈希，返回到步骤62)；

所述消息注册表的哈希化成功后执行以下步骤：71)收到一个消息时，以该消息的关键字为依据前述步骤确定的所述哈希函数计算出该消息关键字的哈希地址；72)依据计算出的该哈希地址获得消息处理入口进行相应的消息处理，如果该哈希地址存在冲突链表，则进行比较匹配，找到与消息关键字对应的消息处理过程入口则进行相应消息处理；73)将该消息的使用记数加1，比较该消息接口与它在冲突链表的前一个消息接口的使用记数，如果大于则进行优化，调整其在冲突链表中的位置，等待下一个消息进行调度。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤73)进一步包括以下步骤：对每个消息接口保存一个使用记数的记录，以及每次该消息接口被调度时，该使用记数的值加1；如果当前消息接口的使用记数大于其冲突链表中前一个消息接口的使用记数，则将这两个消息接口在冲突链表中的位置进行互换，直到当前消息接口的使用记数不大于处于其冲突链表前的消息接口的使用记数。

7.根据权利要求5或6所述方法，还包括以下步骤：在应用层定义并注册消息的字节消息交换函数；由调度系统判断源处理机与本地处理机的字节顺序是否一致，如果不一致则调用应用层注册的所述字节消息交换函数来完成字节转换。

8.根据权利要求5或6所述方法，其特征在于，用程序员提供的消息注册表的存储空间来存放所述消息映射表。

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