1 多線程技術(shù)及其LabVIEW編程
　　進(jìn)程是應(yīng)用程序的運(yùn)行實(shí)例，而線程是進(jìn)程內(nèi)部的可獨(dú)立執(zhí)行的單元，是操作系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)資源的基本調(diào)度單位。同屬于一個(gè)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(gè)進(jìn)程中執(zhí)行多個(gè)線程的能力。采用多線程編程技術(shù)，整個(gè)軟件程序含有完成不同功能的多個(gè)線程，如數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)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(gè)線程同時(shí)執(zhí)行，在一段時(shí)間內(nèi)并行完成多個(gè)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(shí)現(xiàn)
　　LabVIEW圖形化編程語言與其他成熟的計(jì)算機(jī)編程語言相比有較大的差別，主要特點(diǎn)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(duì)多線程編程是不利的。因?yàn)楦鱾€(gè)線程并行運(yùn)行，同時(shí)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(shí)現(xiàn)多個(gè)線程的并行運(yùn)行的。為了解決這個(gè)問題，LabVIEW采用將沒有直接數(shù)據(jù)連接的程序塊單獨(dú)創(chuàng)建一個(gè)線程，將各個(gè)模塊放在循環(huán)結(jié)構(gòu)中并行執(zhí)行而實(shí)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(gè)線程并不能保證它們能正確有序地運(yùn)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(gè)甚至多個(gè)線程間傳遞和共享數(shù)據(jù)。如對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊的輸出設(shè)置一個(gè)寫局部變量，處理分析模塊設(shè)置一個(gè)讀局部變量，兩個(gè)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(gè)線程并行運(yùn)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(yùn)行所需的時(shí)間比數(shù)據(jù)采集模塊要短，可能導(dǎo)致處理分析模塊對(duì)局部變量多次重復(fù)讀取，從而引起錯(cuò)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(jì)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(shí)現(xiàn)多線程編程的關(guān)鍵。LabVIEW在Synchronization中提供通知(Notifier)、隊(duì)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(chǔ)這五個(gè)模塊，假設(shè)數(shù)據(jù)采集所需時(shí)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(chǔ)為100ms，數(shù)據(jù)采集和結(jié)果存儲(chǔ)VI的優(yōu)先級(jí)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(jí)都按默認(rèn)設(shè)置。連續(xù)運(yùn)行30次，每次采集正弦函數(shù)產(chǎn)生的150個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，分別用單線程、多線程方案來統(tǒng)計(jì)程序運(yùn)行的時(shí)間，然后對(duì)測試結(jié)果進(jìn)行分析和比較，以此來驗(yàn)證多線程編程技術(shù)的效果。
2.1 單線程實(shí)現(xiàn)
　　單線程的實(shí)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(chǔ)的順序執(zhí)行，數(shù)據(jù)流從左至右依次流進(jìn)這幾個(gè)模塊，程序框圖如圖2所示。

2.2 隊(duì)列與集合實(shí)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?yàn)楦鱾€(gè)模塊都要等待數(shù)據(jù)，不能并行執(zhí)行。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解，可以明顯看出，除了分成五個(gè)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(shí)進(jìn)行分析顯示、結(jié)果存儲(chǔ)。這樣，系統(tǒng)就簡化成了三個(gè)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(chǔ)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(gè)隊(duì)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(chǔ)的并行執(zhí)行使用集合(Rendezvous)來實(shí)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(duì)列(Enqueue Element)，同時(shí)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(chǔ)分別從兩個(gè)隊(duì)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(hào)后同時(shí)執(zhí)行。
2.3 隊(duì)列實(shí)現(xiàn)
　　若全部采用隊(duì)列來實(shí)現(xiàn)五個(gè)模塊的并行運(yùn)行和模塊間的數(shù)據(jù)傳遞、共享及模塊間的同步，這時(shí)會(huì)有四個(gè)數(shù)據(jù)隊(duì)列，分別為數(shù)據(jù)采集到采集顯示的隊(duì)列、采集顯示到處理分析的隊(duì)列、處理分析到分析顯示的隊(duì)列、分析顯示到結(jié)果存儲(chǔ)的隊(duì)列。除了結(jié)果存儲(chǔ)模塊外，各個(gè)模塊的輸出均進(jìn)入下一個(gè)隊(duì)列，而除了數(shù)據(jù)采集模塊外，各個(gè)模塊的輸入均來自上一個(gè)隊(duì)列(Dequeue Element)，程序框圖如圖4所示。

3 試驗(yàn)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(yùn)行，單線程的運(yùn)行時(shí)間是8 792ms，同時(shí)使用隊(duì)列和集合實(shí)現(xiàn)的多線程方案的運(yùn)行時(shí)間是6 940ms，僅使用隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的多線程方案的運(yùn)行時(shí)間為4 978ms。同時(shí)使用隊(duì)列和集合的方案運(yùn)行時(shí)間占單線程方案的78.9%，僅使用隊(duì)列的多線程方案運(yùn)行時(shí)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(shí)間。但是，兩種方案實(shí)現(xiàn)的多線程效果有比較明顯的差異，同時(shí)使用隊(duì)列和集合的方案僅節(jié)約了20%左右的時(shí)間，而僅使用隊(duì)列的多線程方案節(jié)約了近50%的時(shí)間。
　　分析和比較發(fā)現(xiàn)：隊(duì)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(shí)間和處理分析模塊相差較大，兩者并行運(yùn)行的時(shí)間基本上取決于處理分析模塊所用的時(shí)間，只有在處理分析模塊運(yùn)行完成后才發(fā)出集合信號(hào)，分析顯示模塊與結(jié)果存儲(chǔ)模塊才開始運(yùn)行。同理，分析顯示模塊和結(jié)果存儲(chǔ)模塊相比也是如此，兩者并行運(yùn)行的時(shí)間基本上取決于結(jié)果存儲(chǔ)模塊所用的時(shí)間。因此，處理分析與結(jié)果存儲(chǔ)這兩個(gè)最占用時(shí)間的模塊之間仍是串行運(yùn)行的。相比而言，僅采用隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的多線程方案，四個(gè)隊(duì)列的首尾是相連的，當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)入隊(duì)列后，馬上就可以通過隊(duì)列傳遞給其他的模塊，因此五個(gè)模塊都是并行運(yùn)行的，大大節(jié)約了整個(gè)系統(tǒng)執(zhí)行時(shí)間。由此可見，單線程的執(zhí)行時(shí)間基本上等于各個(gè)模塊的時(shí)間總和，僅采用隊(duì)列實(shí)現(xiàn)的多線程方案的執(zhí)行時(shí)間基本上由執(zhí)行時(shí)間最長的那個(gè)模塊決定。
　　對(duì)于一個(gè)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€(gè)獨(dú)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(duì)列，可以有效地縮短系統(tǒng)整體的執(zhí)行時(shí)間，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的時(shí)效性。在LabVIEW虛擬儀器平臺(tái)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(chǔ)的時(shí)間，而且，僅使用隊(duì)列的多線程編程方式具有更高的執(zhí)行效率。

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