シリアル通信でマルチスレッド化（同時受信データを処理したい）

前提・実現したいこと

以前も似たようなご質問をさせていただきましたが、再度質問させていただきます。
以前の質問

C#でUSB接続でシリアル通信を行うWindowsアプリを作成しています。
同時に複数のデータが来た場合に対応するために、マルチスレッドに変更したいと思っております。
が、恥ずかしながらマルチスレッドの実装を行ったことがなく、ググってもイマイチだったため、
皆さまのお力を借りたいと思いました。
現状は、データが2回来て正常なデータとするため、同時に来た場合にさばけない状態となっています。
（先勝ちな状態です。）

データの一連の流れは、下記になります。
①データ受信[1回目]
②データ受信[2回目] ← ここでデータ確定
③受信データをAPI経由でDBへ格納
④戻り値を受信元へ送信

該当のソースコード

C#
1using Newtonsoft.Json;
2using Newtonsoft.Json.Linq;
3using System;
4using System.Collections.Generic;
5using System.IO;
6using System.IO.Compression;
7using System.IO.Ports;
8using System.Net.Http;
9using System.Reflection;
10using System.Text;
11using System.Threading.Tasks;
12using System.Windows.Forms;
13using System.Xml.Linq;
14
15namespace App
16{
17	public partial class Form : Form
18	{
19		private SerialPort serialPort;
20
21		// APIパス
22		private const string API_PATH = @"http://XXXXX";
23
24		private int			iRetry = 1;
25		private int			iSeq = 0;
26		private string		sBefData = string.Empty;
27		private string		sData = string.Empty;
28		private string		sVal1 = string.Empty;
29		private string[]	sReturnVal = new string[2];
30		private bool		bFirst = true;
31
32		readonly string sPath = AppDomain.CurrentDomain.BaseDirectory;
33		private string sFilePathBefore;
34		string sLogFolder = "LogFile";
35		private bool bSuccess = false;
36
37		public Form()
38		{
39			InitializeComponent();
40		}
41
42		/// <summary>
43		/// フォームロード時イベント
44		/// </summary>
45		/// <param name="sender"></param>
46		/// <param name="e"></param>
47		private void Form_Load(object sender, EventArgs e)
48		{
49			string[] ports = SerialPort.GetPortNames();
50			foreach (string port in ports)
51			{
52				this.cmbSerials.Items.Add(port);
53			}
54			if (0 < this.cmbSerials.Items.Count)
55			{
56				this.cmbSerials.SelectedIndex = 0;
57			}
58		}
59
60		/// <summary>
61		/// 接続ボタン押下時イベント
62		/// </summary>
63		/// <param name="sender"></param>
64		/// <param name="e"></param>
65		private void btnConnect_clicked(object sender, EventArgs e)
66		{
67			if (this.cmbSerials.SelectedItem != null && this.serialPort == null)
68			{
69				// COMポートをOPEN
70				serialPort = new SerialPort();
71				serialPort.DataReceived += new SerialDataReceivedEventHandler(SerialPort1_DataReceived);
72				serialPort.PortName  = this.cmbSerials.SelectedItem.ToString();
73				serialPort.BaudRate  = 19200;
74				serialPort.DataBits  = 8;
75				serialPort.Parity    = Parity.None;
76				serialPort.StopBits  = StopBits.One;
77				serialPort.Encoding  = Encoding.UTF8;
78
79				try
80				{
81					serialPort.Open();
82				}
83				catch (Exception ex)
84				{
85				}
86			}
87		}
88
89		/// <summary>
90		/// データ受信時イベント
91		/// </summary>
92		/// <param name="sender"></param>
93		/// <param name="e"></param>
94		private void SerialPort1_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
95		{
96			if (serialPort != null && serialPort.IsOpen)
97			{
98				try
99				{
100					// 受信データを読み込む
101					SerialPort sp = (SerialPort)sender;
102					string sChildData = sp.ReadExisting();
103
104					if (sChildData.Length == 2 && bFisrst)
105					{
106						sVal1 = sChildData;
107					}
108					else
109					{
110						sData = sChildData;
111						if (bFirst) {
112							return;
113						}
114					}
115
116					if (!string.IsNullOrEmpty(sData) && !string.IsNullOrEmpty(sVal1))
117					{
118						if (0 < sData.Length) {
119							if (string.IsNullOrEmpty(sBefData) || sBefData != sData)
120							{
121								var parameters = new Dictionary<string, string>()
122								{
123									// APIへ渡すデータセット
124								};
125								var content = new FormUrlEncodedContent(parameters);
126
127								try {
128									sReturnVal = GetResponseAPI(API_PATH, content);
129									sBefData = sData;
130									bSuccess = true;
131								} catch {
132									bSuccess = false;
133								}
134
135								if (bSuccess)
136								{
137									if (0 < sReturnVal.Length)
138									{
139										try
140										{
141											// 送信元へデータ送信
142										}
143										catch (Exception ex)
144										{
145										}
146									}
147									else
148									{
149										this.iRetry = 1;
150									}
151								}
152								sData = string.Empty;
153								sVal1 = string.Empty;
154								sReturnVal = new string[]{ };
155							}
156						}
157					}
158				}
159				catch (Exception ex)
160				{
161				}
162			}
163		}
164
165		/// <summary>
166		/// 終了ボタン押下時イベント
167		/// </summary>
168		/// <param name="sender"></param>
169		/// <param name="e"></param>
170		private void btnFinish_clicked(object sender, EventArgs e)
171		{
172			if (serialPort != null && serialPort.IsOpen)
173			{
174				serialPort.Close();
175				serialPort = null;
176			}
177		}
178
179		/// <summary>
180		/// APIをたたいてレスポンスを取得
181		/// </summary>
182		private string[] GetResponseAPI(string sApiUrl, FormUrlEncodedContent sContent)
183		{
184			string[] sVal = new string[2];
185			var task = Task.Run(() => {
186				return HttpPost(sApiUrl, sContent);
187			});
188			string response = task.Result;
189			JArray data = (JArray)JsonConvert.DeserializeObject(response);
190			foreach (JObject obj in data)
191			{
192				JValue did = (JValue)obj["device_id"];
193				JValue val = (JValue)obj["return_data"];
194				sVal[0] = (string)did.Value;
195				sVal[1] = (string)val.Value;
196			}
197
198			return sVal;
199		}
200
201		/// <summary>
202		/// APIをPOSTする
203		/// </summary>
204		/// <param name="sUrl">APIのURL</param>
205		/// <param name="fContent">引数をエンコードしたもの</param>
206		/// <returns></returns>
207		async public Task<string> HttpPost(string sUrl, FormUrlEncodedContent fContent)
208		{
209			var client = new HttpClient();
210			var response = await client.PostAsync(sUrl, fContent);
211			return await response.Content.ReadAsStringAsync();
212		}
213	}
214}
215

補足情報（FW/ツールのバージョンなど）

Windows 10
Visual Studio 2017
c#／Windows Form／.Net Framewrok 4.7.1

行動規範の内容に同意します

回答2件

ベストアンサー

マルチスレッドが解決になるのでしょうか...

いまのプログラムでは、すべてのシリアルポートの受信イベントをひとつのハンドラで受け取っていて、しかもハンドラの中で「誰から来たデータか」を判別しないまま処理しているように思えます。つまり、全部ごっちゃにしてしまっているのでうまくいっていない、とすると、それをマルチスレッドにしても何も解決しないのでは。

私の趣味的には、シリアルポート毎にハンドラを個別に持たせて、それぞれのポートはそれぞれに処理させるかな。もちろん、ひとつのハンドラで、sender毎に処理を切り替えてもいいと思いますけれど。

それと、ハンドラは送信データに対して「いつ呼ばれるかわからない」ものです。極論、1回目の送信の途中で呼ばれるかも(1バイトでも受信すればハンドラは呼ばれるかも)、逆に2回送信が完了してしまってから呼ばれるかも(いつまでに呼ばれる、という期限もありません)、そのどんな場合でも正しくデータを得て、2回送信されたことの確認ができるようにプログラムを作らなきゃいけません。
そうなっているでしょうか。

サンプル書いてみました。シリアル周りだけ、エラーとかは無視。
全然マルチスレッドでないのは、解決したい内容にマルチスレッドが全く寄与しないためです。

C#
1using System;
2using System.Collections.Generic;
3using System.Linq;
4using System.Text;
5using System.Threading.Tasks;
6using System.IO.Ports;
7
8namespace SerialMulti
9{
10    class Program
11    {
12        static void Main(string[] args)
13        {
14            object lockObj = new object();
15            //シリアルポート毎にインスタンスを生成する
16            Connection con1 = new Connection(args[0], lockObj);
17            Connection con2 = new Connection(args[1], lockObj);
18
19            string timeStamp = DateTime.Now.ToString("mm.ss.fff");
20            Console.WriteLine("Start: {0}\n", timeStamp);
21
22            //なにかキーを押したら終了
23            ConsoleKeyInfo tmp = Console.ReadKey();
24        }
25    }
26    // シリアルポートとハンドラをクラスにまとめておく
27    class Connection
28    {
29        SerialPort port = new SerialPort();
30        char[] buf = new char[4];
31        object lockObj;
32
33        public Connection(string portName, object lockObj)
34        {
35            this.lockObj = lockObj;
36            port.PortName = portName;
37            port.BaudRate = 115200;
38            port.DataReceived += Port_DataReceived;
39            port.Open();
40        }
41        ~Connection()
42        {
43            port.Close();
44        }
45        //インスタンス毎に各ポート「専用」のハンドラとなる
46        private void Port_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e)
47        {
48            //受信文字がある限り処理する。
49            //受信文字が空になって一旦ハンドラを抜けても次の文字を受信したら動作が継続できなければいけない
50            while (port.BytesToRead != 0)
51            {
52                //直近4文字のバッファに受信する
53                for (int i = 0; i < buf.Length - 1; i++)
54                {
55                    buf[i] = buf[i + 1];
56                }
57                buf[buf.Length - 1] = (char)port.ReadByte();
58                //直近4文字において前半2文字と後半2文字が同じか検査
59                if (buf[0] == buf[2] && buf[1] == buf[3])
60                {
61                    string timeStamp = DateTime.Now.ToString("mm.ss.fff");
62                    //念の為排他処理にしておく
63                    lock (lockObj)
64                    {
65                        Console.WriteLine("{0} {1}:{2}{3}", timeStamp, port.PortName, buf[0], buf[1]);
66                    }
67                    //送り返し
68                    port.Write(String.Format("{0}{1}", buf[0], buf[1]));
69                }
70            }
71        }
72
73    }
74}

これに、マイコンと、そのUART出力をパラに別のUSB-UART変換を噛ませてPCのポートに入力、つまり「複数のシリアル信号を全く同時に入力」した時の出力がこんな感じです。(USBを通ったりしているうちにプログラムからみて完全に同時とは言えなくなるでしょうが、まぁそこそこ)

text
132.45.494 COM3:BC
232.45.495 COM16:BC
332.45.529 COM3:CD
432.45.543 COM16:CD
532.45.564 COM3:DE
632.45.575 COM16:DE
732.45.599 COM3:EF
832.45.607 COM16:EF
932.45.634 COM3:FG
1032.45.639 COM16:FG
1132.45.669 COM3:GH
1232.45.671 COM16:GH
1332.45.703 COM16:AB
1432.45.704 COM3:AB
1532.45.739 COM3:BC
1632.45.751 COM16:BC
1732.45.774 COM3:CD
1832.45.783 COM16:CD
1932.45.809 COM3:DE
2032.45.815 COM16:DE

32.45.703のあたりなど、微妙なタイミングによってハンドラが呼ばれる順番が変わったりしているのが見えますが、つまりほぼ同時に入力された信号をきちんと処理できているようです。

マイコン側テストプログラムも追記

C++
1//mbed(STM32)
2#include "mbed.h"
3
4int main(void){
5    Serial pc(USBTX, USBRX);
6    pc.baud(115200);
7    char c='A';
8    int offset=0;
9    while(1){
10        printf("%c%c",c+offset,c+offset+1);
11        fflush(0);
12        printf("%c%c",c+offset,c+offset+1);
13        fflush(0);
14        offset=(offset+1)%('H'-'A');// 'A'～'H'を回す
15        wait(40/115.2);//送り返し時間分待ち
16    }
17    return 0;
18}