VC++ 串口通訊多線程架構設計：重疊 I/O、同步物件與事件驅動

前言

Windows 串口通訊屬 I/O 密集型任務，單線程阻塞式讀寫會嚴重拖慢主執行緒回應。採用多線程 + 重疊 I/O (Overlapped I/O) 架構，可實現非阻塞收發、多埠並行監控與高效率事件驅動處理。

VC++ 多線程基礎

• 使用者介面線程：擁有訊息迴圈，處理 UI 互動。
• 工作者線程：無訊息迴圈，專職背景運算、I/O 處理。
• 統一由 AfxBeginThread 建立，回傳 CWinThread*。

同步物件選擇指南

等待函數

• WaitForSingleObject(h, INFINITE)：單一物件等待。
• WaitForMultipleObjects(n, handles, FALSE, INFINITE)：多物件等待 (任一觸發即返回)。

重疊 I/O 核心流程

1. CreateFile(..., FILE_FLAG_OVERLAPPED, ...) 開啟序列埠。
2. 建立 OVERLAPPED 結構，hEvent = CreateEvent(...)。
3. ReadFile/WriteFile 立即返回，I/O 在背景進行。
4. WaitCommEvent 監控通訊事件 (RXCHAR, TXEMPTY...)。
5. 工作者線程 WaitForMultipleObjects 等待 OVERLAPPED.hEvent、關閉事件、自訂事件。

關鍵程式碼實作

1. 序列埠初始化

BOOL CCommPort::InitComm()
{
    m_hComm = CreateFile(_T("COM1"),
        GENERIC_READ | GENERIC_WRITE,
        0, NULL, OPEN_EXISTING,
        FILE_FLAG_OVERLAPPED, 0);
    if (m_hComm == INVALID_HANDLE_VALUE) return FALSE;

    COMMTIMEOUTS ct = {0};
    ct.ReadIntervalTimeout = 1000;
    ct.ReadTotalTimeoutMultiplier = 500;
    ct.ReadTotalTimeoutConstant = 5000;
    ct.WriteTotalTimeoutMultiplier = 500;
    ct.WriteTotalTimeoutConstant = 5000;
    SetCommTimeouts(m_hComm, &ct);

    PurgeComm(m_hComm, PURGE_RXCLEAR | PURGE_TXCLEAR | PURGE_RXABORT | PURGE_TXABORT);
    return TRUE;
}

2. 監控工作者線程

UINT CCommPort::CommThread(LPVOID pParam)
{
    CCommPort* pThis = (CCommPort*)pParam;
    OVERLAPPED ov = {0};
    ov.hEvent = CreateEvent(NULL, TRUE, FALSE, NULL);
    pThis->m_ov = ov;

    HANDLE hEvents[4] = { ov.hEvent, pThis->m_hRxEvent, pThis->m_hTxEvent, pThis->m_hCloseEvent };

    while (pThis->m_bRunning)
    {
        DWORD dwEvent;
        if (!WaitCommEvent(pThis->m_hComm, &dwEvent, &ov))
        {
            if (GetLastError() == ERROR_IO_PENDING)
            {
                DWORD idx = WaitForMultipleObjects(4, hEvents, FALSE, INFINITE);
                switch (idx)
                {
                case WAIT_OBJECT_0:     // OVERLAPPED 完成
                    // 處理讀寫完成
                    break;
                case WAIT_OBJECT_0 + 1: // 接收事件
                    pThis->HandleRx();
                    break;
                case WAIT_OBJECT_0 + 2: // 發送事件
                    pThis->HandleTx();
                    break;
                case WAIT_OBJECT_0 + 3: // 關閉事件
                    return 0;
                }
            }
        }
    }
    CloseHandle(ov.hEvent);
    return 0;
}

3. 主程式啟動線程

m_bRunning = TRUE;
AfxBeginThread(CommThread, this);

效能優化建議

• 接收緩衝區設定較大 (SetCommConfig 或註冊表)。
• 發送採用非同步佇列，工作者線程批次 WriteFile。
• 關鍵區段保護共用資料結構 (環狀緩衝區、狀態旗標)。
• 錯誤處理完善：ClearCommError 取得錯誤碼並重設。