提供异步串口通信

Question

目前我们的应用程序通过串行端口连接到 Arduino。我们发送一些 ASCII 格式的命令，并得到相同的回报。为此，我们有一个命令队列，一个专用于将这些命令写入端口的线程，以及一个专用于读取和处理所有传入回复的线程。类本身负责发送回复，这给了它太多的责任（应该只负责端口操作，而不是业务逻辑）。

我们宁愿以异步方式执行此操作。系统中的任何东西都可以发送带有回调函数和超时的命令。如果串口得到正确回复，则调用回调函数。否则，它会超时并可能调用第二个回调（或者可能是带有 succeeded? 标志的单个回调）。

但是，我们只使用过异步方法（尤其是在 Web 操作中），没有编写过这样的系统。谁能给我们一些关于如何进行的指示？

我们当前的计划是存储这些命令的队列。在任何回复中，如果找到关联的命令（通过比较 ASCII 值），则将其出列并执行回调。计时器将定期检查超时、出列并执行适当的回调。这似乎是一个简单的解决方案，但支持它的代码量正在大幅增加，我们希望确保没有更好的内置解决方案或最佳实践。

编辑：为了进一步澄清，这个特定的类是一个单例（无论好坏），并且有许多其他线程正在运行可以访问它。例如，一个线程可能想要请求传感器值，而另一个线程可能正在控制电机。这些命令及其相关回复不会以线性方式发生；时间可能会颠倒。因此，传统的生产者-消费者模型是不够的；这更像是一个调度程序。

例如，我们称这个单例类为Arduino。 Thread A 正在运行，并且想发送命令"*03"，所以它调用Arduino.Instance.SendCommand("*03")。同时，Thread B 发送一个命令"*88"，这两个命令都是近实时发送的。稍后，Arduino 的SerialPort.Read() 线程收到*88 的回复，然后收到*03 的回复（即以相反的顺序发送它们）。我们如何允许Thread A 和Thread B 正确阻止等待特定回复的到来？我们假设我们将在每个线程中使用AutoResetEvent，并使用异步回调让我们.Set 它。

Answer 1

如果性能是您所追求的，并且异步处于最佳水平，我建议您研究 Completion Ports。这就是最终隐藏在 Windows 内核中的内容，而且非常棒。当我使用它们时，我使用了 C++，甚至因此发现了一个内核错误，但是我仅限于该语言。

我在 CodeProject 上看到了 this article，这可能值得探索，看看您可以在哪里进一步推进您的想法和/或使用那里的代码。

完成端口的本质是处理回调。也就是说，一般来说，您将请求“放入”队列中，当有东西到达那里时，会读取请求并读取指定的回调。事实上，这是一个队列，但就像我说的，处于最低（可管理）级别（在几乎进入金属之前）。

编辑：我已经编写了一种带有完成端口的 FTP 服务器/客户端测试实用程序，因此基本过程是相同的 - 在 queuable 时尚。希望对您有所帮助。

编辑 #2： 好的，这就是我将根据您的反馈和 cmets 执行的操作。我会有一个“传出队列”ConcurrentQueue<Message>。您可以通过将每条消息出列来有一个单独的线程来发送消息。 注意，如果你想让它更“安全”一点，我建议查看消息，发送它，然后将它出队。 无论如何，Message 类可以是内部的，看起来像这样：

private class Message {
    public string Command { get; set; }
    ... additonal properties, like timeouts, etc. ...
}

在单例类中（我称之为CommunicationService），我也会有一个ConcurrentBag<Action<Response>>。现在是乐趣开始的地方:o)。当一个单独的关注点想要做某事时，它会注册自己，例如，如果你有一个TemepratureMeter，我会让它做这样的事情：

public class TemperatureMeter {
   private AutoResetEvent _signal = new AutoResetEvent(false);

   public TemperatureMeter {
     CommunicationService.AddHandler(HandlePotentialTemperatureResponse);
   }

   public bool HandlePotentialTemperatureResponse(Response response) {
     // if response is what I'm looking for
     _signal.Set();

     // store the result in a queue or something =)
   }

   public decimal ReadTemperature() {
     CommunicationService.SendCommand(Commands.ReadTemperature);
     _signal.WaitOne(Commands.ReadTemperature.TimeOut); // or smth like this

     return /* dequeued value from the handle potential temperature response */;
   }

}

现在，在您的 CommunicationService 中，当您收到响应时，您只需发送一个

foreach(var action in this._callbacks) {
   action(rcvResponse);
}

瞧，关注点分离。它能更好地回答你的问题吗？

另一种可能的策略是，将消息和回调耦合，但让回调为 Func<Response, bool> 并且调度程序线程检查从 Func 返回的结果是否为真，然后此回调已处理.

Answer 2

如果您使用 4.0，更好的选择是为此使用 BlockingCollection，对于旧版本，请使用 Queue<T> 和 AutoResetEvent 的组合。因此，当添加项目并在消费者线程上时，您将收到通知，然后就可以使用它了。在这里，我们使用的是推送技术，在您当前的实施中，您“每次询问是否有任何数据”时都使用轮询技术。

示例：4.0

//declare the buffer
private BlockingCollection<Data> _buffer = new BlockingCollection<Data>(new ConcurrentQueue<Data>());

//at the producer method "whenever you received an item":
_messageBuffer.Add(new Data());

//at the consumer thread "another thread(s) that is running without to consume the data when it arrived."
foreach (Data data in _buffer.GetConsumingEnumerable())// or "_buffer.Take" it will block here automatically waiting from new items to be added
{
    //handle the data here.
}

示例：其他“较低”版本：

private ConcurrentQueue<Data> _queue = new ConcurrentQueue<Data>();
private AutoResetEvent _queueNotifier = new AutoResetEvent(false);

//at the producer:
_queue.Enqueue(new Data());
_queueNotifier.Set();

//at the consumer:
while (true)//or some condition
{
    _queueNotifier.WaitOne();//here we will block until receive signal notification.
    Data data;
    if (_queue.TryDequeue(out data))
    {
        //handle the data
    }
}