LabVIEW馳騁多核技術(shù)時(shí)代

摘要：本文主要介紹了專門(mén)針對(duì)多核應(yīng)用而優(yōu)化的全新LabVIEW軟件，并詳細(xì)介紹其開(kāi)發(fā)優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；多核；并行處理；并行編程

多核時(shí)代的編程挑戰(zhàn)

　　眾所周知，由于對(duì)芯片功率和熱效應(yīng)的制約，以往單純通過(guò)提高主頻來(lái)提高處理器運(yùn)行速度的做法已經(jīng)不再可行，一個(gè)新的架構(gòu)已經(jīng)逐漸成型，那就是多核。

　　多核時(shí)代的來(lái)臨已成為主流的發(fā)展趨勢(shì)，在2006年的Intel開(kāi)發(fā)者論壇上，Intel的CEO Paul Otellini向全世界展示了一個(gè)80核的原型，它可以在一秒內(nèi)處理數(shù)以千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)，那是非常驚人的處理能力，并且Intel希望在5年內(nèi)將其推入消費(fèi)市場(chǎng)。

　　然而，這對(duì)于工程師和程序員們來(lái)說(shuō)，意味著什么呢？

　　在以往，程序開(kāi)發(fā)人員們只需換上一塊更高計(jì)算性能的處理器，就可以在無(wú)需任何代碼修改的情況下，自動(dòng)加快了每一行代碼的執(zhí)行速度。然而在如今的多核時(shí)代，這樣的“免費(fèi)午餐”已經(jīng)結(jié)束了。如圖1所示，即使是在一個(gè)4核處理器上，如果其應(yīng)用只是單線程的話，操作系統(tǒng)仍舊會(huì)將所有的任務(wù)分配到其中一個(gè)核上運(yùn)行，導(dǎo)致多核處理器無(wú)法得到充分的利用。因此，為了充分利用多核處理器，需要有新的編程方法。

圖1 單線程編程無(wú)法充分利用多核處理器

　　而這恰恰是一個(gè)巨大的編程挑戰(zhàn)，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，比爾蓋茨也說(shuō)過(guò)：“要想充分利用并行工作的處理器威力，……軟件必須能夠處理并發(fā)性問(wèn)題。但正如任何一位編寫(xiě)過(guò)多線程代碼的開(kāi)發(fā)者告訴你的那樣，這是編程領(lǐng)域最艱巨的任務(wù)之一。”

　　總體而言，多核處理器編程存在以下幾大難點(diǎn)：首先是并行的思考方式，比如要分辨出哪些任務(wù)是可以同時(shí)執(zhí)行的，這并不是一件容易的事情，尤其對(duì)于習(xí)慣于順序結(jié)構(gòu)編程的開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，思考方式的轉(zhuǎn)變往往需要花相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。

　　其次是線程的創(chuàng)建和管理。開(kāi)發(fā)人員把任務(wù)劃分成多個(gè)并行步驟之后，就要通過(guò)線程的方式來(lái)編程實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，多線程編程是相當(dāng)困難的，很多傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言都需要一組新的函數(shù)或結(jié)構(gòu)來(lái)創(chuàng)建、同步、加解鎖線程，這意味著工作量的增加。例如用C++寫(xiě)一個(gè)多線程的程序，程序員就必須要非常熟悉C++，了解如何將C++程序分成多個(gè)線程和任務(wù)間并發(fā)的同步，此外還要了解Windows多線程的機(jī)制，熟悉Windows API的調(diào)用方法，或者M(jìn)FC的架構(gòu)等等；在C++上調(diào)試多線程程序，更是被許多程序員視為噩夢(mèng)。

　　最后，開(kāi)發(fā)人員還需要自己考慮并行代碼段之間哪些資源是不能共享的，比如文件、內(nèi)存、硬件等等，否則會(huì)導(dǎo)致資源的沖突和爭(zhēng)奪，使得并行線程因等待資源而暫停甚至死鎖。

　　以往基于文本的編程語(yǔ)言，由于其自身是一種順序的編程模式，因此在對(duì)待并行編程時(shí)顯得有些力不從心。雖然對(duì)于一些學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程或軟件工程的專業(yè)開(kāi)發(fā)人員來(lái)講，使用文本語(yǔ)言在一個(gè)雙核處理器中開(kāi)發(fā)并行編程機(jī)制可能還不足以被難倒的話，那么當(dāng)Intel推出80核處理器之后，其編程的復(fù)雜度相信任何開(kāi)發(fā)人員都無(wú)法應(yīng)付。因此，工程師和開(kāi)發(fā)人員們都期待著一種更高效、更具創(chuàng)新的并行編程工具，能夠協(xié)助他們順利迎接多核時(shí)代的到來(lái)。

LabVIEW — 天生并行的編程語(yǔ)言

　　LabVIEW就是這樣一種馳騁多核技術(shù)時(shí)代的編程語(yǔ)言，可以幫助開(kāi)發(fā)人員高效地享用多核技術(shù)所帶來(lái)的益處。

　　LabVIEW是一個(gè)基于數(shù)據(jù)流的圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它提供了直觀的圖形化編程方式和用戶界面。與傳統(tǒng)的文本編程相比，LabVIEW天生就是一種并行結(jié)構(gòu)的編程語(yǔ)言?；贚abVIEW的數(shù)據(jù)流特性，如果連線中存在著分支，或者是框圖中有著并行序列，那么后臺(tái)的LabVIEW執(zhí)行器就將自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)并行化運(yùn)行，這種在計(jì)算機(jī)科學(xué)術(shù)語(yǔ)中叫做“潛在并行化”(圖2)。例如，我們?cè)贚abVIEW下創(chuàng)建了多個(gè)循環(huán)，那么相對(duì)應(yīng)的也就創(chuàng)建了數(shù)個(gè)新的執(zhí)行線程，從而這些并行循環(huán)就會(huì)自動(dòng)分配成多個(gè)線程分到多個(gè)處理核上，讓LabVIEW開(kāi)發(fā)人員享受到了多核處理器的性能優(yōu)勢(shì)。

圖2 LabVIEW本身就是自動(dòng)多線程的編程語(yǔ)言

　　從單核到雙核的處理器，理論上來(lái)說(shuō)，獲得的運(yùn)算性能可以達(dá)到原先的兩倍。但是，與這個(gè)極限值的接近程度取決于用戶應(yīng)用程序并行化運(yùn)行的程度。使用LabVIEW，我們就可以方便地實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序性能的改進(jìn)，通過(guò)最少的編程調(diào)整，并行應(yīng)用便可以獲益于多核處理器。對(duì)于普通的LabVIEW應(yīng)用程序而言，如果不考慮多核編程技巧，在不改寫(xiě)代碼的情況下，與最初的基準(zhǔn)程序相比，可以獲得25%到35%性能上的提升，這也就意味著“免費(fèi)的午餐”還沒(méi)有結(jié)束。

　　下面我們來(lái)看圖3的簡(jiǎn)單例子。其中LabVIEW代碼中的分支簡(jiǎn)化了兩個(gè)分析任務(wù) ——濾波操作和快速傅立葉變換(FFT)，使它們可以在雙核機(jī)器上并行化執(zhí)行。首先程序在單核的模式下(關(guān)閉其中一個(gè)核)運(yùn)行一次，然后在雙核模式下運(yùn)行。從圖中可以看到，由于兩項(xiàng)任務(wù)的計(jì)算量都很高，因此利用任務(wù)并行化獲得的性能改進(jìn)為原先的1.8倍。

圖3 LabVIEW數(shù)據(jù)流編程的并行特性

　　Windows操作系統(tǒng)是自動(dòng)將線程分配到不同的核上，那么對(duì)于某些應(yīng)用，如果有一個(gè)對(duì)時(shí)間要求非常高的線程，那么是否有辦法能夠保證它執(zhí)行的確定性呢？

　　使用LabVIEW 就可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題，從而獲得對(duì)于多核處理器更多的控制權(quán)。在 LabVIEW中，工程師可以根據(jù)自身需求手動(dòng)設(shè)置線程運(yùn)行在特定的核上，例如將時(shí)間要求苛刻的采集與控制任務(wù)放在單獨(dú)的核上運(yùn)行，而將對(duì)確定性要求不高的界面響應(yīng)、數(shù)據(jù)記錄等任務(wù)放在另外一個(gè)核上運(yùn)行(圖4)。值得一提的是，實(shí)現(xiàn)這樣的操作非常簡(jiǎn)單，就像放一個(gè)LabVIEW循環(huán)一樣，只需放置一個(gè)定時(shí)循環(huán)(Timed Loop)，再分配那個(gè)循環(huán)到指定的核上即可。

圖4 LabVIEW 允許用戶手動(dòng)分配線程在指定的核上運(yùn)行

　　作為一個(gè)典型的多核應(yīng)用案例，德國(guó)的Max Planck研究院要實(shí)現(xiàn)針對(duì)核聚變能源的受控?zé)岷朔磻?yīng)裝置的等離子控制，這種高速控制需要將88個(gè)磁感應(yīng)器上的大量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為64×128個(gè)點(diǎn)格上的偏微分方程組，并要在短短的1ms內(nèi)完成整個(gè)計(jì)算過(guò)程。最終他們使用LabVIEW在一個(gè)8核的系統(tǒng)上采用并行技術(shù)，將整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算速度提高了5倍，成功地達(dá)到了1ms閉環(huán)控制速率的要求，完成了這個(gè)“不可能的任務(wù)”。

基于LabVIEW的并行編程

　　LabVIEW自身所具有的并行特性使得開(kāi)發(fā)人員可以不用花過(guò)多的時(shí)間放在多線程的創(chuàng)建、管理、同步、調(diào)試等底層實(shí)現(xiàn)過(guò)程上，而可以將主要精力聚焦在整個(gè)并行程序的高層架構(gòu)上，這是能否高效利用多核處理器技術(shù)的關(guān)鍵所在。

　　本節(jié)中將簡(jiǎn)單介紹針對(duì)多核的三種常用編程方式及其在LabVIEW下的實(shí)現(xiàn)方式。