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关键词： 多线程程序   死锁检测   死锁重演   锁增广分段图  

摘要： 多线程编程技术在当今的软件开发领域得到广泛应用，由于多线程程序设计的复杂性，死锁等并发漏洞对软件系统的可靠性造成巨大挑战。死锁的发生会导致程序无法正常运行，严重情况下会引起系统瘫痪。因此，死锁检测成为软件分析领域的研究热点之一。死锁检测分为静态分析和动态分析两类。前者通过对程序源代码的分析实现死锁检测，漏报率低，但是由于难以获取程序的运行时信息，从而会导致大量的死锁误报。后者以程序某次运行产生的行为轨迹为出发点，据此对程序的潜在行为模式进行分析并检测死锁。由于该类方法可有效利用程序的运行时信息，因此检测的死锁存在较低的误报率。鉴于误报排除困难以及动态分析效率与自动化程度高的优点，针对其仍然存在部分死锁误报的现状，本文拟提出一种新型的多线程程序动态死锁检测和重演方法。论文的主要研究内容如下:　　(1)锁增广分段图和时序增广锁图的构建:对锁图、分段图、锁依赖关系等现有的动态死锁分析模型进行分析，探究他们导致误报的根源，据此对已有的锁图和分段图模型进行改进，在锁图基础上扩充语句的执行时序信息，在分段图的基础上扩充锁的获取和释放信息，并对段进行更细粒度的划分以建模“锁-start”耦合导致的线程操作问的依赖关系，由此提出了锁增广分段图和时序增广锁图的概念，并给出了由程序运行轨迹构建这两类模型的具体算法;(2)基于锁增广分段图和时序增广锁图的死锁检测:首先，基于时序增广锁图中的环路识别潜在死锁;之后，借助锁增广分段图判定环路操作间是否存在因果关系，再借助持有锁集信息和“历史持有锁-持有锁”耦合因果关系图识别环路操作间是否存在互斥关系;仅当环路的各个操作间既不存在因果关系、也不存在互斥关系时，将该环路视为一个潜在死锁;(3)基于锁授权线程序列的死锁重演:针对运行轨迹丢失程序语义信息导致的死锁误报，对上一阶段检测到的各个潜在死锁，设计算法计算能触发此死锁状态的锁授权线程序列，并以此序列作为程序的调度方案给出了一个确定性的死锁重演算法，每个重演成功的潜在死锁都是一个真实的死锁。　　基于Java多线程程序主动测试平台CalFuzzer，设计并实现了死锁检测和重演的原型系统，并结合搜集到的公开程序实例，比较了本文所提方法与传统的动态分析方法在检测精度和时间性能方面的差异。实验结果证明，本文方法能有效地排除更多误报，并且重演效率更高。

关键词： RTEMS   EXT4   虚拟文件系统   文件系统日志  

摘要： 当前多核芯片的算力和存储设备性能不断提升,嵌入式文件系统的效率在一定程度上限制了嵌入式设备的性能。当前嵌入式设备上常用闪存存储设备,运行闪存文件系统,但是闪存文件系统具有诸多的缺陷,比如挂载速度不稳定,不支持大容量存储,文件系统安全性不能得到保证等。EXT4文件系统可以解决闪存文件系统的问题,但是块设备文件系统并不适合嵌入式,实现一种嵌入式系统友好的EXT4文件系统是一个需要解决的问题。通过分析不同存储设备的结构与文件系统结构设计之间关联,发现文件系统的设计应最大程度的满足存储设备的特性,并且嵌入式操作系统中仅有有限的系统资源,文件系统应尽量简洁。针对以上发现,本文将从磁盘管理系统、文件系统、操作系统三个部分入手,重新设计文件系统内存结构体以减少内存资源的占用,优化磁盘块的分配策略并且在保证文件系统数据一致性的前提下,减少同步系统调用的次数,增加闪存芯片的使用寿命。为了保证文件系统的数据安全性,本文在JBD2(日志块设备)的基础上,重新设计了文件系统的日志架构。以写回模式为基础,优化写系统调用的流程。设计了一种写队列的数据结构,将元数据的写回提前,保证文件系统的一致性。对于用户数据采用边写边刷新的策略,最大程度降低掉电时丢失用户数据的数量。经过系统随机断电测试,证明本文件系统能够实现自动崩溃恢复,可以保证操作系统元数据的一致性。根据以上方法,本文提出了 RT-EXT4,一种适合嵌入式系统的EXT4文件系统,RT-EXT4不仅能够减少磁盘块的刷新次数,减少缓存中的数据寿命以保证数据持久化的时间间隔,支持EXT4的大多数特性,并且能够在嵌入式环境下实现快加载、快恢复。在文件系统基准测试中,RT-EXT4实现了大文件读写,不限制文件夹数量,跨系统兼容等闪存文件系统不支持的操作,并通过了 24小时压力测试和无规则断电测试,证明了 RT-EXT4在复杂使用环境下的可靠性。

关键词： 设备管理   TPM   市场竞争力  

摘要： 近年来,由于新冠疫情和地缘政治的影响,全球经济形势持续恶化,经济增速大幅放缓,液晶面板行业也由此进入寒冬,市场需求呈现超预期收缩,单片价格持续下探,行业竞争持续加剧,企业经营环境空前严峻。作为液晶面板显示模组行业领军企业的S公司,生产流程高度依赖高精度自动化生产线,提高设备综合效率、降低设备维护成本是企业提质增效、降低成本,增强市场竞争力的关键工作之一。本文以作者实际工作的S公司为对象,研究其设备运维管理体系。运用TPM理论并结合公司实际情况,识别现有设备工作模式下发生的问题,并通过访谈、定性定量及人、机、料、法、环等方法分析问题的发生机理,给出针对性解决方案设计,从而达到帮助S公司重塑设备运维管理体系,实现降本增效提高公司市场竞争力的目标。论文工作采用了理论知识学习、识别问题、分析问题、设计解决问题方案的推进线路。首先,基于S公司的设备管理工作经验,通过梳理和归纳国内外设备管理理论的发展,发现TPM理论的完善性和先进性。其次,通过对S公司的设备管理工作调查和研究,识别了设备综合效率低、维备耗费用高、产品不合格率高和设备运维人力费用高四大关键问题,以及运用分析方法确定了该问题的四大根本原因。再次,结合TPM理论和S公司实际特点,提出了S公司设备管理改进的“三步走”的方案设计工作。第一步确定了TPM管理体系设计的目标、原则和步骤,有效牵引后续工作;第二步制定了TPM导入的方案设计,确定项目实施主计划;第三步制定了TPM实施阶段方案设计,强调了六个维度具体的改进方案。最后,考虑到TPM理论植入和实施工作的项目风险,树立了健全TPM管理与运作组织、加强人力资源管理和优化组织文化建设的三个方面保障措施,确保设备运维管理体系的改进工作顺利且有效开展,从而实现最初确定的提高S公司设备综合效率、增强企业市场竞争力的目标。本文的研究成果不仅对于健全S公司设备运维管理体系、提高设备管理水平和增强企业市场竞争力具有重要指导意义,也同样为同类型制造企业的设备运维管理优化升级工作提供了借鉴。

关键词： 公路养护   机械设备   设备管理  

摘要： 公路养护机械设备管理对于保障公路质量有着重要意义。针对养护中机械设备管理广泛存在的问题进行分析和研究，找出影响养护质量的关键性因素，并针对相关问题采取针对性的措施进行处理，对公路养护行业的长效发展非常重要。基于此，本文研究公路养护机械设备管理工作中常见的问题，提出了解决相关问题方法，希望对公路养护行业的发展起到促进作用。

关键词： 分布式存储   数据中心   异构介质   CRUSH算法  

摘要： 随着我国新基建的推广,企业数据存储需求呈现出了多样化、复杂性的特征,分布式存储模式开始从小集群模式逐步向大数据集群模式方向发展。为应对这些挑战,实现异构介质存储已经成为当前分布式存储发展的一种新趋势。论文基于当前分布式网络文件系统存储技术,立足于大数据集群模式发展趋势,研究与实现了一款基于CRUSH(Controlled Dump Under Scalable Hashing)算法的分布式网络文件系统,并通过异构存储改造,突破性能瓶颈。论文在统一存储架构上提出对存储系统进行分层改进设计,将分布式网络文件系统分为计算层和统一存储层。论文重点对计算层展开了研究设计,计算层主要负责元数据管理、用户数据索引、存储分层等工作,划分Proxy、Segment Server、Master Server三个模块进行实现。论文选择使用CRUSH算法作为不同磁盘介质上的数据分布算法,并对CRUSH算法进行异构介质存储优化,提出brother＿rule概念,尽可能减少数据迁移时的数据迁移量。论文还提出了基于CRUSH算法的流量优化算法,通过带宽控制数据迁移流量,降低迁移数据对用户流量的影响,利用黑名单机制屏蔽故障区域,解决网络或磁盘故障导致的性能下降问题。在对数据进行分层改进设计中,计算层通过控制存储数据层次的介质来实现介质异构,研究将数据分为level 0、level 1、level 2三个层次,其中,level 0作为新数据写入和读取层,可以将文件系统的随机写转换为顺序写,采用高效的固态硬盘(SSD),提升用户数据写入速度,level 1和level 2则使用普通磁盘(HDD),用以应对大规模数据存储,数据在level 0中满足一定时间后通过Dump的形式迁移至level 1和level 2,以此保证系统既能兼顾读写性能又能节约成本。论文在Rhea-FS分布式网络文件系统上设计并完成了异构介质存储的方案,详细给出了Rhea-FS计算层的设计与实现过程,并将Rhea-FS与Ceph FS的性能进行对比分析验证,发现Rhea-FS在SSD条件下,具有与Ceph FS相似的性能,在4K的条件下,Rhea-FS的表现则更为优越。而论文研究的Rhea-FS主要优势在于构建了分层的混合存储系统,可以在控制成本的同时提升系统的读写性能,经测试验证,在SSD和HDD配比为1:10的集群上,能够实现接近SSD的写性能和热数据的读性能。此外,Rhea-FS还可以依据业务特征进行更加灵活的定制,包括流量控制、数据温度控制等,在数据迁移条件下,Rhea-FS分布式文件系统通过流量控制表现得更加优越。另外,Rhea-FS特有的黑名单机制能够有效降低集群故障和升级对整体性能的影响。目前,Rhea-FS已经在企业内部投入使用,并逐渐替换掉了公司的Ceph FS产品。

摘要： 本刊讯2022年8月12日,2022年全国设备监测诊断与维护学术会议在山西太原湖滨国际酒店召开。同期,《设备管理与维修》杂志第十届一次编委会也在太原湖滨国际酒店举办,来自全国各高校、企业、科研院所的新一届编委相聚一堂,共议科技期刊的办刊之道。编委会由中国机械工程学会智能运维分会总干事王立勇主持,编委会副主任、杂志社社长张卫宁向新一届编委委员们介绍了当初创刊的设想,回顾了42年来期刊发展的几个重要阶段和成长历程。对历届编委会为杂志发展所做出的贡献与支持给予了肯定和感谢,科技期刊编委会是办刊人力的重要组成部分,对高质量办刊起到了举足轻重的作用。

关键词： 文件系统   开放通道闪存   持久化内存   边缘计算  

摘要： 随着物联网、人工智能及高速移动网络的快速发展,终端设备的种类与数量急剧增加,智能终端与边缘节点需处理的数据量呈爆发式增长。由于闪存介质普遍具有存储密度高、静态功耗低、大容量、体积小、抗震动等优势,其被广泛应用于边端存储系统。然而,面对海量数据,传统闪存存储系统逐渐无法应对边端大容量、强时效、低开销的存储服务需求。开放通道闪存架构充分结合文件系统及闪存硬件特性,通过消除存储层次间的语义壁垒,给闪存文件系统的发展带来新机遇。但是,软件直接管理闪存硬件也为文件系统设计带来新挑战。因此,针对边端开放通道闪存文件系统面临的挑战与机遇,本文开展开放通道闪存文件系统的设计与优化研究。首先,研究设计可扩展低开销的嵌入式软件直管闪存文件系统,以降低文件系统空间管理、数据组织以及命名空间的内存开销,同时实现系统快速挂载与闪存磨损均衡。其次,充分利用新型持久化内存的优势,设计嵌入式闪存文件系统中间层,以提升文件系统的可移植性与适配性。最后,提出基于小容量持久化内存的混合开放通道闪存方案,以降低文件系统数据一致性开销,提高文件系统性能。具体开展的研究工作如下:(1)大容量嵌入式软件直管闪存文件系统研究。针对现有嵌入式闪存文件系统内存开销大、管理容量小、挂载时间长等问题,本文设计了面向资源受限嵌入式设备的可扩展低开销闪存文件系统(Extensible Low-Overhead Flash File System,简称ELOFS)。首先,为降低空间管理内存开销,ELOFS采用大粒度分区管理机制,避免重复记录闪存块状态。其次,为降低文件管理内存开销,ELOFS采用混合文件组织方式,依据智能终端读写特点,对目录与数据文件分类组织存储。最后,为提高命名空间检索效率,ELOFS利用高效路径树,加速路径解析流程。(2)嵌入式闪存文件系统持久化中间层研究。针对传统嵌入式闪存文系统逻辑操作粒度与大容量闪存硬件粒度不匹配、移植难度高、手动适配后读写开销大等问题,本文设计了嵌入式闪存文件系统持久化中间层(Non-Volatile middleware,简称NV-middle)。在现有嵌入式文件系统逻辑I/O接口与闪存硬件I/O接口之间,NV-middle利用新型持久化内存,建立写操作聚合树,缓存文件系统小粒度I/O。此外,NV-middle采用延迟擦除机制为上层系统提供透明的小粒度逻辑擦除功能,并建立页缓存机制降低读放大导致的性能开销。(3)写时复制文件系统性能优化研究。Btrfs等块设备文件系统采用区段树结构组织文件数据页以降低空间管理开销,并采用写时复制机制来保障同步操作时的数据一致性。然而,写时复制操作不仅导致了区段树节点分裂,违背了区段树索引的设计初衷,还向上递归传导元数据页面更新操作,严重降低文件系统的性能。本文充分利用开放通道闪存优势,提出基于小容量持久化内存的开放通道文件系统架构,通过设计混合细粒度写时复制机制(Hybrid Fine-grained Copy-on-Write and Journaling Mechanism,简称Hy Fi M),避免逻辑层写时复制操作产生的索引结构分裂与更新向上传导问题,提高文件系统的读写性能。最后,本文基于Linux系统实现了所提出技术的原型,并从多方面进行实验验证。实验结果表明所提出的可扩展低开销闪存文件系统能够以极小的内存开销保障文件系统读写性能;提出的嵌入式闪存文件系统持久化中间层实现了既有嵌入式文件系统无缝适配大容量闪存硬件;提出的混合细粒度写时复制机制能有效降低写时复制操作造成区段碎片,提高系统性能。

关键词： 多AGV系统   动态调度   死锁避免   强化学习  

摘要： 近年来,多AGV系统在智能制造上受到广泛关注,通过使用AGV代替人工进行物料配送,可提高配送效率,实现配送自动化。多AGV系统的安全稳定运行离不开有效的调度策略。然而,目前大多调度策略灵活性差,实时性不足,无法应对动态环境。因此,本文以自动化工厂的多AGV系统为研究对象,对多AGV动态调度策略进行了深入研究。首先,本文对多AGV系统的总体结构进行了介绍,对多AGV系统的区域控制问题搭建了环境模型和运行模型,提出了包含死锁避免及调度效率优化的多AGV系统动态调度框架,并搭建了基于离散事件框架Simpy的多AGV系统仿真平台,为死锁避免算法和性能优化算法的研究提供了验证环境。然后,针对目前死锁避免算法约束过强,导致AGV的动作选择受到过度限制、压缩了潜在性能优化空间的问题,本文结合图论提出一种更为灵活的死锁避免算法。首先将系统状态表示为混合图,并分析其结构与状态安全之间的关系;再通过定义宏环结构,建立宏环压缩图以提取可能导致死锁的AGV;最后集中分析这些AGV的状态以评估系统的安全性,在此基础上设计了死锁避免算法,并从时间复杂度和行为容许度两个方面评估了所提死锁避免算法的性能。仿真实验结果表明:本文所提算法相较于经典的AGV Banker’s算法及其变种具有更强的灵活性,提升了系统性能优化的潜力。最后,在通过死锁避免算法确保多AGV系统安全运行的基础上,本文进一步提出了基于事件驱动的强化学习算法的多AGV系统调度优化方法。先通过引入宏动作将多AGV系统调度问题建模为事件驱动决策过程,解决多智体异步决策及不同持续时长动作的策略优化问题;再从最小化任务平均执行时间的角度设计状态、宏动作、合作奖惩机制及模型框架;最后在前述多AGV系统仿真平台上进行训练。仿真实验结果表明:本文提出的优化方法可以在多智体异步决策且动作持续时长可变的合作环境有效地训练收敛,学习得到较优的动作策略。此外,综合传统策略和ED-RL策略各自的优势,本文依据非空闲AGV的数量进一步提出一种混合策略,相较于单一策略系统具有更优的运行性能。总而言之,本文从系统建模和仿真平台搭建出发,对死锁避免以及性能优化方法进行了深入研究,提出了一套较为完备的多AGV系统动态调度控制策略,为自动化物料配送场景提供了解决思路,具有一定的借鉴意义。

关键词： 远程直接内存访问   非易失性内存   分布式锁机制   一致性机制  

摘要： 近年来,远程直接内存访问（Remote Direct Memory Access,RDMA）和非易失性内存（Non-Volatile Main Memory,NVMM）被大量应用于分布式系统中。随着RDMA和NVMM支持的存储与访问性能不断增长,传统的锁管理机制开始暴露出开销高的问题。结合RDMA原子取和加（Fetch and Add,FA）原语和面包店算法的锁机制可以在保证数据一致性的同时,降低软件层面的开销。然而,由于RDMA仅可对8字节内存进行原子操作,导致在设计上对各种锁状态信息的取舍存在很大考验。针对上述场景,本文首先进行了RDMA不同原语访问内存的性能测试。然后提出了一种基于RDMA的分布式顺序锁机制,该锁机制使用64位的内存空间表示一个顺序锁,并以客户端驱动的形式实现了锁的获取、释放,达到了减少轮询开销、降低通信延迟的效果。通过引入写锁超时规则,本文锁机制实现了容错恢复功能。最后本文提出了与顺序锁机制相结合使用的数据备份和恢复的一致性策略,作为顺序锁机制一致性功能的补充。实验结果表明,在读密集场景下,本文顺序锁机制的吞吐率和平均延迟相对于DSLR锁分别改善了139.6%和64.9%,相对于RPC锁分别改善618.8%和81.4%。在一致性保证的持久化写入测试中,本文的锁机制相比对照组的吞吐率提高了9.12倍。