這篇解決一個(gè)核心問(wèn)題設(shè)備軟件里幾十個(gè) Actor 各跑各的線程它們?cè)趺磁浜习岩粔K料從進(jìn)到出搬完而不互相踩腳。一、痛點(diǎn)多線程協(xié)作最容易踩的三個(gè)坑設(shè)備軟件里一個(gè)料從上料到下料要經(jīng)過(guò)上料站、搬運(yùn)手、Buffer、測(cè)試臺(tái)、下料手好幾個(gè) Actor。每個(gè) Actor 一個(gè)線程各自跑自己的狀態(tài)機(jī)。一旦協(xié)作設(shè)計(jì)不好三個(gè)坑必踩?？右粨屚毁Y源撞機(jī)。 兩個(gè)手臂同時(shí)往一個(gè) Buffer 放料誰(shuí)也沒(méi)問(wèn)對(duì)方在不在結(jié)果撞在一起?？佣?duì)方?jīng)]準(zhǔn)備好就送。 A 把料取走了B 還沒(méi)就位A 就往下放料掉地上?？尤粋€(gè)掛了全亂套。 A 報(bào)警停了B 不知道還在往 A 送料殘料越堆越多。這三個(gè)坑分別對(duì)應(yīng)三種協(xié)作協(xié)議資源占用、就緒握手、異常廣播。下面逐個(gè)講。二、協(xié)議一資源占用——誰(shuí)在用誰(shuí)負(fù)責(zé)痛點(diǎn)// 錯(cuò)誤做法 bool bufferBusy false; // Actor AbufferBusy true; 用完 bufferBusy false; // Actor Bif (!bufferBusy) 用它問(wèn)題在于bufferBusy只表示「忙不忙」不表示「誰(shuí)在用」。A 設(shè)了trueB 怎么知道是 A 在用還是 C 在用A 掛了忘改回falseB 永遠(yuǎn)等不到。設(shè)計(jì)思路給共享資源加一個(gè)「占用者」字段記錄是誰(shuí)在用而不是只記「忙不忙」。class Station { Actor* m_owner nullptr; // 誰(shuí)在占用null 表示空閑 mutex m_mtx; bool SetUsedBy(Actor* a) { lock_guardmutex lk(m_mtx); if (m_owner nullptr || m_owner a) { m_owner a; return true; } return false; } void SetNotUsedBy(Actor* a) { lock_guardmutex lk(m_mtx); if (m_owner a) m_owner nullptr; } };關(guān)鍵點(diǎn)只允許兩種情況拿到資源空閑時(shí)任何人能拿或者已經(jīng)是你占著重入安全。其他人想拿返回false下一拍再試。釋放時(shí)必須驗(yàn)證身份SetNotUsedBy(a)里要檢查m_owner a不是你占的你不能釋放。防止 A 掛了之后 B 誤釋放 A 的占用。用法// Actor 想用 Buffer if (buffer-SetUsedBy(this)) { // 拿到了干活 PickFrom(buffer); buffer-SetNotUsedBy(this); // 用完釋放 } else { // 沒(méi)拿到下一拍再試 break; }邊界與坑坑忘記釋放。 Actor 拿到資源后報(bào)警退出沒(méi)走SetNotUsedBy資源被永久鎖死。對(duì)策報(bào)警處理流程里統(tǒng)一檢查并釋放該 Actor 占的所有資源?？又厝肱袛嘁⌒摹_owner a允許同一個(gè) Actor 重復(fù)拿是為了避免「拿了之后狀態(tài)機(jī)跳步又來(lái)拿一次」的死鎖。但如果你不希望重入去掉這個(gè)條件即可。不適合的場(chǎng)景如果資源占用時(shí)間極短幾毫秒用 mutex 直接鎖更簡(jiǎn)單不必走占用協(xié)議。占用協(xié)議適合「占用幾秒到幾十秒」的工位級(jí)資源。三、協(xié)議二就緒握手——你準(zhǔn)備好我才送痛點(diǎn)A 要把料給 B得確認(rèn) B 能接。最樸素的寫(xiě)法是 A 輪詢(xún) B 的 bool// 錯(cuò)誤做法 while (!B-isReady) Sleep(1); // A 死等 B問(wèn)題一堆isReady裸 bool 無(wú)鎖有競(jìng)態(tài)A 空轉(zhuǎn)查 bool 浪費(fèi) CPUisReady只能表示「準(zhǔn)備好了」不能帶「準(zhǔn)備接什么料、接幾顆」這類(lèi)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)思路握手要解決三件事對(duì)方知道我準(zhǔn)備好了、我能帶上數(shù)據(jù)、等待方不空轉(zhuǎn)。有兩種實(shí)現(xiàn)按項(xiàng)目階段選。實(shí)現(xiàn)一輪詢(xún)式老項(xiàng)目常見(jiàn)// B 側(cè) void SetReadyToRecv(bool ready) { m_bReadyToRecv ready; } bool IsReadyToRecv() { return m_bReadyToRecv; } // A 側(cè) if (B-IsReadyToRecv()) { // B 能接開(kāi)始送 }簡(jiǎn)單直接但有競(jìng)態(tài)和空轉(zhuǎn)問(wèn)題。適合老項(xiàng)目改造、過(guò)渡階段不建議新項(xiàng)目用。實(shí)現(xiàn)二條件變量 帶數(shù)據(jù)推薦struct HandoffEvent { enum Type { ReadyToSend, ReadyToRecv, Done } type; string fromStation; string trayId; // ... 可帶任意數(shù)據(jù) }; class HandoffChannel { queueHandoffEvent q_; mutex mtx_; condition_variable cv_; public: void Post(HandoffEvent ev) { { lock_guardmutex lk(mtx_); q_.push(move(ev)); } cv_.notify_one(); // 叫醒等待方 } bool Wait(HandoffEvent::Type want, HandoffEvent out, int timeoutMs) { unique_lockmutex lk(mtx_); bool ok cv_.wait_for(lk, chrono::milliseconds(timeoutMs), [] { return !q_.empty() q_.front().type want; }); if (!ok || q_.empty()) return false; out q_.front(); q_.pop(); return true; } };用法// A干完活通知 channel.Post({HandoffEvent::Done, ArmTray, TRAY_001}); // B阻塞等通知不空轉(zhuǎn) HandoffEvent ev; if (!channel.Wait(HandoffEvent::Done, ev, 30000)) Alarm(交接超時(shí));邊界與坑坑輪詢(xún)式里 bool 沒(méi)加鎖。 多線程讀寫(xiě)裸 bool 理論上是未定義行為實(shí)際在 x86 上多數(shù)沒(méi)事但不保證。至少用atomicbool或加鎖?？訔l件變量握手里別在 Post 時(shí)做重活。Post只做「入隊(duì) notify」不要在Post里調(diào)運(yùn)動(dòng)、搶鎖否則等待方被叫醒后又要等 Post 里的鎖容易死鎖?？映瑫r(shí)一定要有。Wait不帶超時(shí)對(duì)方掛了你就永遠(yuǎn)等。設(shè)備軟件里所有等待都要有超時(shí) 報(bào)警。不適合的場(chǎng)景如果 A 和 B 在同一個(gè)線程里跑比如示教模式不需要握手直接順序調(diào)用即可。握手是跨線程協(xié)作才需要的。四、協(xié)議三異常廣播——一處故障全機(jī)響應(yīng)痛點(diǎn)設(shè)備運(yùn)行中任何一個(gè) Actor 都可能遇到故障軸超時(shí)、真空失敗、氣缸不到位。如果只讓故障 Actor 自己停其它 Actor 還在往里送料殘料堆積、二次碰撞、批次數(shù)據(jù)錯(cuò)亂。設(shè)計(jì)思路需要一個(gè)全局入口任意 Actor 都能觸發(fā)由總控統(tǒng)一停掉所有 Actor。class Actor { static Actor* g_Controller; static void ControllerStop() { if (g_Controller) g_Controller-Stop(); } };// 總控的 Stop void CControl::Stop() { StopMotionCard(); // 先停運(yùn)動(dòng)卡防止軸繼續(xù)動(dòng) Actor::StopAllActors(); // 廣播停所有 Actor SetMachineState(PAUSE); // 改整機(jī)狀態(tài) }用法任意 Actor 發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重故障if (!ret.IsOK()) { Alarm(ret); // 報(bào)警 Actor::ControllerStop(); // 觸發(fā)整機(jī)停 break; // 自己也跳出當(dāng)前步 }關(guān)鍵點(diǎn)停機(jī)順序很重要先停運(yùn)動(dòng)卡硬件層再停 Actor軟件層最后改狀態(tài)。反過(guò)來(lái)會(huì)導(dǎo)致 Actor 還在跑時(shí)軸已經(jīng)停了狀態(tài)機(jī)卡在中間。報(bào)警和停機(jī)分開(kāi)調(diào)。不是所有報(bào)警都要停機(jī)真空可忽略的失敗只報(bào)警不停機(jī)軸超時(shí)這類(lèi)嚴(yán)重故障才報(bào)警 停機(jī)。是否停機(jī)由調(diào)用方?jīng)Q定不要寫(xiě)死在Alarm里。邊界與坑坑停機(jī)后忘釋放資源。 Actor 占著 Buffer 報(bào)警停了沒(méi)走SetNotUsedBy重啟后 Buffer 還是被占。對(duì)策Stop流程里統(tǒng)一清理該 Actor 的所有占用?？油C(jī)里又觸發(fā)報(bào)警。Stop里上報(bào) SECS 事件失敗又調(diào)AlarmAlarm又想emit信號(hào)信號(hào)槽里又操作 UIUI 線程正好在等這個(gè) Actor ?！梨i。對(duì)策停機(jī)流程里的二次報(bào)警要吞掉或異步化不要在停機(jī)路徑上再產(chǎn)生同步副作用?？油C(jī)不是瞬時(shí)的。Stop只是置標(biāo)志Actor 狀態(tài)機(jī)要走到Sleep(1)那一拍才會(huì)檢查到。如果某個(gè) Actor 正卡在WaitArrive阻塞里它不會(huì)立刻停。所以前面說(shuō)阻塞等待要拆成非阻塞輪詢(xún)這也是原因之一。不適合的場(chǎng)景可恢復(fù)的輕微異常某格真空沒(méi)吸到但可跳過(guò)不該觸發(fā)整機(jī)停局部處理即可。ControllerStop只留給「不停會(huì)有安全風(fēng)險(xiǎn)」的故障。五、三種協(xié)議怎么配合實(shí)際設(shè)備里三種協(xié)議是疊加用的不是三選一。一個(gè)完整的搬運(yùn)流程1. Actor A 想從 Buffer 取料→ 先 SetUsedBy(this) 占住 Buffer [協(xié)議一資源占用]2. 取完料通知 Actor B「我送過(guò)去了」→ channel.Post(ReadyToSend, {料號(hào), 位置}) [協(xié)議二就緒握手]3. Actor B 收到通知確認(rèn)能接→ SetUsedBy(this) 占住放料站 [協(xié)議一]→ channel.Wait(ReadyToSend, ev) [協(xié)議二]4. 任意一步發(fā)現(xiàn)軸超時(shí)→ Alarm ControllerStop [協(xié)議三異常廣播]→ 所有 Actor 停資源釋放三種協(xié)議各管一段占用管互斥、握手管同步、廣播管安全。缺任何一層都會(huì)出問(wèn)題。六、可復(fù)用結(jié)論資源占用共享工位用「占用者指針」而不是裸 bool記錄誰(shuí)在用、誰(shuí)能釋放。就緒握手跨線程交接用條件變量 帶數(shù)據(jù)的事件不用裸 bool 輪詢(xún)所有等待加超時(shí)。異常廣播嚴(yán)重故障走全局ControllerStop總控統(tǒng)一停所有 Actor停機(jī)順序先硬件后軟件。報(bào)警和停機(jī)分開(kāi)不是所有報(bào)警都停機(jī)是否停機(jī)由調(diào)用方?jīng)Q定。停機(jī)后清理資源Stop流程里統(tǒng)一釋放該 Actor 的所有占用防止重啟后資源被鎖死。阻塞等待拆非阻塞狀態(tài)機(jī)里的硬件等待拆成輪詢(xún)保證停機(jī)標(biāo)志能及時(shí)響應(yīng)。這三層協(xié)議是設(shè)備軟件多線程協(xié)作的骨架。理解了它們?cè)O(shè)計(jì)新設(shè)備時(shí)就知道「這一步該用哪種協(xié)議」