摘 要： 為了充分利用系統資源，提高數據采集系統的運行效率，對LabVIEW編程框架下的數據采集系統進行了模塊化分解。分別使用單線程技術，隊列與集合相結合、僅使用隊列兩種多線程技術實現了系統主要功能，并對結果進行了比較和分析。結果表明，與單線程相比，多線程編程技術能有效地縮短數據采集與分析時間，且僅使用隊列的多線程方案具有更高的執行效率。
關鍵詞： LabVIEW；多線程；隊列；集合
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LabVIEW是NI公司推出的一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器開發平臺，以其諸多的優點得到了廣泛的認可，是進行虛擬儀器開發的強大軟件工具。LabVIEW在編程中引入了數據流的概念，程序嚴格按照數據流的方向順序執行[1-2]。一個基本的數據采集系統框圖如圖1所示，主要包括數據采集、采集顯示(顯示1)、處理分析、分析顯示(顯示2)、結果存儲五個部分。如果采用單線程編程，則數據依次進入各個模塊，后面的模塊必須等前面的模塊執行完后才能開始執行。當用時較長的I/O操作模塊(如數據高速連續采集)在運行時，其他模塊等待時間較長，影響整個采集系統的實時性[3]。多線程技術是解決該問題的有效方法之一。本文根據LabVIEW的編程特點，對數據流進行分解，利用同步機制中的隊列與集合相結合及僅使用隊列兩種多線程編程技術對LabVIEW編程環境下的多線程編程技術進行了研究，并從執行效率上進行比較和結果分析。
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1 多線程技術及其LabVIEW編程
進程是應用程序的運行實例，而線程是進程內部的可獨立執行的單元，是操作系統對系統資源的基本調度單位。同屬于一個進程的所有線程都共享進程的虛擬地址空間，線程之間可以共享進程的全部數據和資源。
多線程是指操作系統支持一個進程中執行多個線程的能力。采用多線程編程技術，整個軟件程序含有完成不同功能的多個線程，如數據采集、實時數據和曲線顯示、數據處理與分析線程和用戶界面線程等。這樣，多個線程同時執行，在一段時間內并行完成多個任務，既加快了系統的反應速度，又提高了執行效率[4-5]。在現代測控技術中，多線程編程技術常常是必須采用的技術。
1.1 多線程在LabVIEW中的實現
LabVIEW圖形化編程語言與其他成熟的計算機編程語言相比有較大的差別，主要特點是它引入了數據流的概念，程序執行過程中數據的流向、程序執行的順序和方向都是可預見的[6]。然而，這種順序化執行方式對多線程編程是不利的。因為各個線程并行運行，同時還要共享進程數據，從左至右的數據流方式似乎是不太可能實現多個線程的并行運行的。為了解決這個問題，LabVIEW采用將沒有直接數據連接的程序塊單獨創建一個線程，將各個模塊放在循環結構中并行執行而實現多線程，它是LabVIEW中創建多線程的一般方法。但是，創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據，以及線程之間進行同步與通信。
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據。如對數據采集模塊的輸出設置一個寫局部變量，處理分析模塊設置一個讀局部變量，兩個模塊間沒有直接的數據連接，通過局部變量傳遞數據，數據采集和處理分析兩個線程并行運行。然而，這種數據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據采集模塊要短，可能導致處理分析模塊對局部變量多次重復讀取，從而引起錯誤的的數據分析結果，這顯然不是我們所期望的。
在LabVIEW多線程程序設計的系統中，線程之間數據傳遞和共享、線程間的同步是實現多線程編程的關鍵。LabVIEW在Synchronization中提供通知(Notifier)、隊列(Queue)、旗語(Semaphore)、集合(Rendezvous)、事件(Occurrences)等函數，以解決多線程間的數據傳遞和同步問題。
2 LabVIEW中線程編程技術比較
將數據采集系統分解成如圖1的數據采集、采集顯示(顯示1)、處理分析、分析顯示(顯示2)、結果存儲這五個模塊，假設數據采集所需時間為60ms，處理分析為70ms，采集顯示和分析顯示均為30ms，結果存儲為100ms，數據采集和結果存儲VI的優先級設置為高于正常，顯示VI設置成可重入，其他所有用戶子VI的執行系統和優先級都按默認設置。連續運行30次，每次采集正弦函數產生的150個點的數據，分別用單線程、多線程方案來統計程序運行的時間，然后對測試結果進行分析和比較，以此來驗證多線程編程技術的效果。
2.1 單線程實現
單線程的實現就是程序按數據采集、采集顯示、處理分析、分析顯示、結果存儲的順序執行，數據流從左至右依次流進這幾個模塊，程序框圖如圖2所示。
2.2 隊列與集合實現
可以肯定，采用單線程這種順序化的執行方式效率較低，因為各個模塊都要等待數據，不能并行執行。對系統進行分解，可以明顯看出，除了分成五個模塊外，已采集數據的采集顯示、處理分析可以并行執行。同樣，處理分析后的數據也可以同時進行分析顯示、結果存儲。這樣，系統就簡化成了三個部分和兩條主要的數據流，分別為數據采集到采集顯示、處理分析的數據流，處理分析后的數據到分析顯示、結果存儲的數據流。而且，這三部分之間傳遞的數據還是有序的，因此可以采用兩個隊列(Queue)來傳遞數據。而已采集數據的采集顯示、處理分析，處理分析后的分析顯示、結果存儲的并行執行使用集合(Rendezvous)來實現，具體的程序框圖如圖3所示。
在數據采集模塊、處理分析模塊完成后讓輸出的數據分別進入各自的隊列(Enqueue Element)，同時創建集合(Rendezvous)，已采集數據的采集顯示、處理分析，處理分析后的數據的分析顯示、結果存儲分別從兩個隊列中取出各自的數據，只有當等待集合(Wait at Rendezvous)收到集合信號后同時執行。
2.3 隊列實現
若全部采用隊列來實現五個模塊的并行運行和模塊間的數據傳遞、共享及模塊間的同步，這時會有四個數據隊列，分別為數據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、分析顯示到結果存儲的隊列。除了結果存儲模塊外，各個模塊的輸出均進入下一個隊列，而除了數據采集模塊外，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 試驗結果與分析
在Intel Pentium D CPU 3GHz，1GB內存(DDR2 533)，Windows XP SP2，LabVIEW7.1環境下運行，單線程的運行時間是8 792ms，同時使用隊列和集合實現的多線程方案的運行時間是6 940ms，僅使用隊列實現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的確能有效地減少程序的執行時間。但是，兩種方案實現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約了20%左右的時間，而僅使用隊列的多線程方案節約了近50%的時間。
分析和比較發現：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出集合信號，分析顯示模塊與結果存儲模塊才開始運行。同理，分析顯示模塊和結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果存儲模塊所用的時間。因此，處理分析與結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，僅采用隊列實現的多線程方案，四個隊列的首尾是相連的，當一個數據進入隊列后，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，大大節約了整個系統執行時間。由此可見，單線程的執行時間基本上等于各個模塊的時間總和，僅采用隊列實現的多線程方案的執行時間基本上由執行時間最長的那個模塊決定。
對于一個數據采集系統，根據其任務功能恰當地分解成幾個獨立的模塊，利用多線程編程技術，恰當地使用LabVIEW同步機制中提供的函數，尤其是隊列，可以有效地縮短系統整體的執行時間，提高數據采集系統的時效性。在LabVIEW虛擬儀器平臺下，多線程編程技術比單線程更能有效地縮短數據采集、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行效率。
參考文獻
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[4] ?林康紅.基于LabVIEW的遠程虛擬儀器多線程技術[J].自動化儀表，2003，24(8)：25-27.
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[6] ?蘇維嘉，李大琳.虛擬儀器設計中多線程技術的應用[J].工業控制計算機，2007(9):92-93.