VxWorks下串口行模式高速发送数据时程序挂死问题求优化方案

核心问题根因 #

当前实现存在3个直接导致高负载下挂死的典型问题：

1. 全局文件描述符fd存在线程安全问题：接收线程打开串口赋值fd的动作和主线程调用write的动作无同步机制，当主线程在fd还未完成初始化（open、ioctl配置未结束）就执行写操作会直接触发异常，速率越高冲突概率越大
2. 行模式下的读写逻辑不匹配：设置了OPT_LINE行模式后，read默认是阻塞调用，当串口接收缓冲区没有遇到换行符时read会一直阻塞，此时如果串口发送缓冲区被填满，write也会进入阻塞状态，两个线程同时阻塞在IO操作上就会呈现程序挂死的表象
3. 读缓冲区长度配置不合理：单次read仅读取10字节，但NMEA报文最长可达82字节+换行符，过短的读长度会导致接收线程处理效率跟不上，大量报文积压在驱动缓冲区，最终触发读写双向阻塞

最优解决步骤 #

• 第一步：修复线程安全问题
  增加初始化完成同步信号量，保证主线程仅在串口配置完成后才执行写操作，同时给串口增加非阻塞标识避免读写永久阻塞，修改后代码示例：

  #include <iostream>
  #include <chrono>
  #include <cstring>
  #include <fcntl.h>
  #include <unistd.h>
  #include <sioLib.h>
  #include <tyLib.h>
  #include <semLib.h>
  
  int fd = -1;
  SEM_ID initSem; // 新增初始化同步信号量
  
  void recvthread() {
      // 打开串口时新增O_NONBLOCK非阻塞标志
      fd = open("/tyCo/2", O_RDWR | O_NOCTTY | O_NONBLOCK, 0);
  
      if (fd != -1) {
          int nRes = ioctl(fd, FIOBAUDRATE, 9600);
          if (nRes == -1)
              perror("Error in setting Baudrate for /tyCo/2");
  
          int options = ioctl(fd, FIOGETOPTIONS, 0);
          if (options == -1)
              options = 0;
  
          options |= CREAD | CLOCAL;
          options &= ~CSIZE;
          options |= CS8;
          options &= ~STOPB;
          options &= ~PARENB;
          options |= OPT_LINE;
  
          nRes = ioctl(fd, FIOSETOPTIONS, options);
          if (nRes == -1)
              perror("Error in setting options for /tyCo/2");
          
          semGive(initSem); // 配置完成释放信号量
          char buff[512];
          while (true) {
              int len = read(fd, buff, sizeof(buff)-1);
              if (len > 0) {
                  buff[len] = '\0';
                  // 此处处理接收数据
              } else if (len == EAGAIN) {
                  // 无数据时短休眠避免占满CPU
                  std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(1LL));
              }
          }
      }
  }
  
  int main() {
      initSem = semBCreate(SEM_Q_FIFO, SEM_EMPTY);
      std::thread t(recvthread);
  
      semTake(initSem, WAIT_FOREVER); // 等待串口初始化完成再执行写操作
      char buff[512];
      while (true) {
          // 写之前先查询发送缓冲区剩余空间，避免写阻塞
          int txFree = 0;
          ioctl(fd, FIOGETOSIZE, &txFree);
          if (txFree >= 56) {
              int len = write(fd, buff, 56);
          }
          std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(250LL));
      }
  }
  

• 第二步：调整串口缓冲区大小
  tews驱动默认的串口缓冲区一般为1024字节，高速率下容易溢出，在FIOSETOPTIONS配置完成后新增两行代码调整缓冲区：

  ioctl(fd, FIORBUFSET, 4096); // 接收缓冲区设为4K
  ioctl(fd, FIOWBUFSET, 2048); // 发送缓冲区设为2K
  

• 第三步：替换临时刷新缓冲区方案
  不需要主动刷新缓冲区，只要保证接收线程处理速度高于报文接收速度即可，非阻塞读+足够的缓冲区配置可以完全替代刷缓冲区的临时方案。

额外优化建议 #

如果NMEA报文解析逻辑复杂度较高，建议把接收和解析拆分到两个线程，接收线程只负责把完整行报文写入无锁队列，解析线程从队列取数据处理，进一步降低接收阻塞的概率。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Harry