1 多線程技術(shù)及其LabVIEW編程
　　進(jìn)程是應(yīng)用程序的運行實例，而線程是進(jìn)程內(nèi)部的可獨立執(zhí)行的單元，是操作系統(tǒng)對系統(tǒng)資源的基本調(diào)度單位。同屬于一個進(jìn)程的所有線程都共享進(jìn)程的虛擬地址空間，線程之間可以共享進(jìn)程的全部數(shù)據(jù)和資源。
　　多線程是指操作系統(tǒng)支持一個進(jìn)程中執(zhí)行多個線程的能力。采用多線程編程技術(shù)，整個軟件程序含有完成不同功能的多個線程，如數(shù)據(jù)采集、實時數(shù)據(jù)和曲線顯示、數(shù)據(jù)處理與分析線程和用戶界面線程等。這樣，多個線程同時執(zhí)行，在一段時間內(nèi)并行完成多個任務(wù)，既加快了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，又提高了執(zhí)行效率^[4-5]。在現(xiàn)代測控技術(shù)中，多線程編程技術(shù)常常是必須采用的技術(shù)。
1.1 多線程在LabVIEW中的實現(xiàn)
　　LabVIEW圖形化編程語言與其他成熟的計算機(jī)編程語言相比有較大的差別，主要特點是它引入了數(shù)據(jù)流的概念，程序執(zhí)行過程中數(shù)據(jù)的流向、程序執(zhí)行的順序和方向都是可預(yù)見的^[6]。然而，這種順序化執(zhí)行方式對多線程編程是不利的。因為各個線程并行運行，同時還要共享進(jìn)程數(shù)據(jù)，從左至右的數(shù)據(jù)流方式似乎是不太可能實現(xiàn)多個線程的并行運行的。為了解決這個問題，LabVIEW采用將沒有直接數(shù)據(jù)連接的程序塊單獨創(chuàng)建一個線程，將各個模塊放在循環(huán)結(jié)構(gòu)中并行執(zhí)行而實現(xiàn)多線程，它是LabVIEW中創(chuàng)建多線程的一般方法。但是，創(chuàng)建了多個線程并不能保證它們能正確有序地運行，而是需要在線程間傳遞和共享數(shù)據(jù)，以及線程之間進(jìn)行同步與通信。
1.2 多線程間的通信
　　LabVIEW中提供了局部變量與全局變量，可以用局部變量在兩個甚至多個線程間傳遞和共享數(shù)據(jù)。如對數(shù)據(jù)采集模塊的輸出設(shè)置一個寫局部變量，處理分析模塊設(shè)置一個讀局部變量，兩個模塊間沒有直接的數(shù)據(jù)連接，通過局部變量傳遞數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集和處理分析兩個線程并行運行。然而，這種數(shù)據(jù)傳遞方式是不安全的，若處理分析模塊運行所需的時間比數(shù)據(jù)采集模塊要短，可能導(dǎo)致處理分析模塊對局部變量多次重復(fù)讀取，從而引起錯誤的的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，這顯然不是我們所期望的。
　　在LabVIEW多線程程序設(shè)計的系統(tǒng)中，線程之間數(shù)據(jù)傳遞和共享、線程間的同步是實現(xiàn)多線程編程的關(guān)鍵。LabVIEW在Synchronization中提供通知(Notifier)、隊列(Queue)、旗語(Semaphore)、集合(Rendezvous)、事件(Occurrences)等函數(shù)，以解決多線程間的數(shù)據(jù)傳遞和同步問題。
2 LabVIEW中線程編程技術(shù)比較
　　將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分解成如圖1的數(shù)據(jù)采集、采集顯示(顯示1)、處理分析、分析顯示(顯示2)、結(jié)果存儲這五個模塊，假設(shè)數(shù)據(jù)采集所需時間為60ms，處理分析為70ms，采集顯示和分析顯示均為30ms，結(jié)果存儲為100ms，數(shù)據(jù)采集和結(jié)果存儲VI的優(yōu)先級設(shè)置為高于正常，顯示VI設(shè)置成可重入，其他所有用戶子VI的執(zhí)行系統(tǒng)和優(yōu)先級都按默認(rèn)設(shè)置。連續(xù)運行30次，每次采集正弦函數(shù)產(chǎn)生的150個點的數(shù)據(jù)，分別用單線程、多線程方案來統(tǒng)計程序運行的時間，然后對測試結(jié)果進(jìn)行分析和比較，以此來驗證多線程編程技術(shù)的效果。
2.1 單線程實現(xiàn)
　　單線程的實現(xiàn)就是程序按數(shù)據(jù)采集、采集顯示、處理分析、分析顯示、結(jié)果存儲的順序執(zhí)行，數(shù)據(jù)流從左至右依次流進(jìn)這幾個模塊，程序框圖如圖2所示。

2.2 隊列與集合實現(xiàn)
　　可以肯定，采用單線程這種順序化的執(zhí)行方式效率較低，因為各個模塊都要等待數(shù)據(jù)，不能并行執(zhí)行。對系統(tǒng)進(jìn)行分解，可以明顯看出，除了分成五個模塊外，已采集數(shù)據(jù)的采集顯示、處理分析可以并行執(zhí)行。同樣，處理分析后的數(shù)據(jù)也可以同時進(jìn)行分析顯示、結(jié)果存儲。這樣，系統(tǒng)就簡化成了三個部分和兩條主要的數(shù)據(jù)流，分別為數(shù)據(jù)采集到采集顯示、處理分析的數(shù)據(jù)流，處理分析后的數(shù)據(jù)到分析顯示、結(jié)果存儲的數(shù)據(jù)流。而且，這三部分之間傳遞的數(shù)據(jù)還是有序的，因此可以采用兩個隊列(Queue)來傳遞數(shù)據(jù)。而已采集數(shù)據(jù)的采集顯示、處理分析，處理分析后的分析顯示、結(jié)果存儲的并行執(zhí)行使用集合(Rendezvous)來實現(xiàn)，具體的程序框圖如圖3所示。

　　在數(shù)據(jù)采集模塊、處理分析模塊完成后讓輸出的數(shù)據(jù)分別進(jìn)入各自的隊列(Enqueue Element)，同時創(chuàng)建集合(Rendezvous)，已采集數(shù)據(jù)的采集顯示、處理分析，處理分析后的數(shù)據(jù)的分析顯示、結(jié)果存儲分別從兩個隊列中取出各自的數(shù)據(jù)，只有當(dāng)?shù)却?Wait at Rendezvous)收到集合信號后同時執(zhí)行。
2.3 隊列實現(xiàn)
　　若全部采用隊列來實現(xiàn)五個模塊的并行運行和模塊間的數(shù)據(jù)傳遞、共享及模塊間的同步，這時會有四個數(shù)據(jù)隊列，分別為數(shù)據(jù)采集到采集顯示的隊列、采集顯示到處理分析的隊列、處理分析到分析顯示的隊列、分析顯示到結(jié)果存儲的隊列。除了結(jié)果存儲模塊外，各個模塊的輸出均進(jìn)入下一個隊列，而除了數(shù)據(jù)采集模塊外，各個模塊的輸入均來自上一個隊列(Dequeue Element)，程序框圖如圖4所示。

3 試驗結(jié)果與分析
　　在Intel Pentium D CPU 3GHz，1GB內(nèi)存(DDR2 533)，Windows XP SP2，LabVIEW7.1環(huán)境下運行，單線程的運行時間是8 792ms，同時使用隊列和集合實現(xiàn)的多線程方案的運行時間是6 940ms，僅使用隊列實現(xiàn)的多線程方案的運行時間為4 978ms。同時使用隊列和集合的方案運行時間占單線程方案的78.9%，僅使用隊列的多線程方案運行時間占單線程方案的56.6%。毫無疑問，使用多線程編程技術(shù)的確能有效地減少程序的執(zhí)行時間。但是，兩種方案實現(xiàn)的多線程效果有比較明顯的差異，同時使用隊列和集合的方案僅節(jié)約了20%左右的時間，而僅使用隊列的多線程方案節(jié)約了近50%的時間。
　　分析和比較發(fā)現(xiàn)：隊列加集合的方案雖然更符合人們編程的思維，但并沒有達(dá)到理想的效果，原因在于采集顯示模塊所需時間和處理分析模塊相差較大，兩者并行運行的時間基本上取決于處理分析模塊所用的時間，只有在處理分析模塊運行完成后才發(fā)出集合信號，分析顯示模塊與結(jié)果存儲模塊才開始運行。同理，分析顯示模塊和結(jié)果存儲模塊相比也是如此，兩者并行運行的時間基本上取決于結(jié)果存儲模塊所用的時間。因此，處理分析與結(jié)果存儲這兩個最占用時間的模塊之間仍是串行運行的。相比而言，僅采用隊列實現(xiàn)的多線程方案，四個隊列的首尾是相連的，當(dāng)一個數(shù)據(jù)進(jìn)入隊列后，馬上就可以通過隊列傳遞給其他的模塊，因此五個模塊都是并行運行的，大大節(jié)約了整個系統(tǒng)執(zhí)行時間。由此可見，單線程的執(zhí)行時間基本上等于各個模塊的時間總和，僅采用隊列實現(xiàn)的多線程方案的執(zhí)行時間基本上由執(zhí)行時間最長的那個模塊決定。
　　對于一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，根據(jù)其任務(wù)功能恰當(dāng)?shù)胤纸獬蓭讉€獨立的模塊，利用多線程編程技術(shù)，恰當(dāng)?shù)厥褂肔abVIEW同步機(jī)制中提供的函數(shù)，尤其是隊列，可以有效地縮短系統(tǒng)整體的執(zhí)行時間，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時效性。在LabVIEW虛擬儀器平臺下，多線程編程技術(shù)比單線程更能有效地縮短數(shù)據(jù)采集、分析和存儲的時間，而且，僅使用隊列的多線程編程方式具有更高的執(zhí)行效率。

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