labview主／從設(shè)計模式和生產(chǎn)者／消費者設(shè)計模式

5.2 LabVIEW設(shè)計模式主從設(shè)計模式和生產(chǎn)者消費者設(shè)計模式 在上一節(jié)中曾經(jīng)談到過，NI LabVIEW 中提供了六種最基本的設(shè)計模式。本節(jié)首先介紹其中的兩種： 主從設(shè)計模式與生產(chǎn)者消費者設(shè)計模式（Master/Slave design pattern and Producer/Consumer design pattern）。這是由于這兩種設(shè)計模式在結(jié)構(gòu)上極為相似（使用的內(nèi)置函數(shù)不同），所以我們在這里將一起來討論（基本結(jié)構(gòu)參見圖 5.2-1、圖 5.2-2）。 圖 5.2-1 主從設(shè)計模式 圖 5.2-2 生產(chǎn)者消費者設(shè)計模式5.2.1 主從設(shè)計模式（Master/Slave design pattern） 與主從設(shè)計模式的相關(guān)內(nèi)置函數(shù)（Notifier_通知）參見下圖所示。 圖 5.2.1-1 主從設(shè)計模式內(nèi)置函數(shù)（通知） 關(guān)于這些內(nèi)置函數(shù)的定義和使用方法請參考LabVIEW Help文件，這里就不再進(jìn)行討論了。 對于絕大多數(shù)LabVIEW的學(xué)習(xí)者來講，僅僅依據(jù)這些主從操作提供的內(nèi)置函數(shù)（通知），即便是借助于幫助文件也很難理解和設(shè)計出正確的應(yīng)用程序代碼或基本架構(gòu)。因為 這些內(nèi)置函數(shù)的內(nèi)部程序代碼是不對外開放的、不公開的，所以我們也就很難理解的更準(zhǔn)確或更全面。 那么如何正確的使用它們呢？ 通常有兩個最簡單、最直接的方法可以解決這個問題：一是，查看NI給出的設(shè)計模式或例程；二是，查看其它使用者所提供的實用例程。 其實，這里也再次間接的告訴大家，更多查看和理解其它LabVIEW開好者所提供的實用例程是學(xué)習(xí)LabVIEW的最好方法之一。 通過圖 5.2-1，就可以初略地領(lǐng)會到NI 基于數(shù)據(jù)流的圖形化代碼主從設(shè)計模式的表達(dá)形式或架構(gòu)。 從圖 5.2-1中，可以看到主從設(shè)計模式的基本構(gòu)成是：包括了兩個While循環(huán)（上面為主循環(huán)、下面的為從循環(huán)）和若干個“通知”內(nèi)置函數(shù)（Notifier）構(gòu)成。主 循環(huán)中的Case結(jié)構(gòu)用來確定是否向從循環(huán)發(fā)出通知。 該設(shè)計模式支持圖形化代碼的多種數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)輸入（圖 5.2-1中的數(shù)據(jù)類型為：字符串）；并且用一個Stop按鍵來控制這兩個While循環(huán)的停止。 如果用“高亮執(zhí)行”方式來查看它的數(shù)據(jù)流運行狀態(tài)時，我們會發(fā)現(xiàn)：當(dāng)主循環(huán)中的Case結(jié)構(gòu)的條件輸入端為：F時，主循環(huán)不會發(fā)出通知，從循環(huán)也不執(zhí)行任何操作； 當(dāng)主循環(huán)中的Case結(jié)構(gòu)的條件輸入端為：T時，主循環(huán)發(fā)出通知，從循環(huán)執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)我們按下“Stop”鍵時，主循環(huán)停止并利用錯誤簇（表現(xiàn)為：出現(xiàn)錯誤）通知 從循環(huán)也停止。 主從設(shè)計模式工作時，數(shù)據(jù)（元素）傳遞是發(fā)生在兩個While之間，依據(jù)While循環(huán)的數(shù)據(jù)流工作原理，我們的確很難理解數(shù)據(jù)是如何在兩個While循環(huán)之間傳遞的 。這使得這種結(jié)構(gòu)的兩個While循環(huán)之間傳遞數(shù)據(jù)的關(guān)系看起來有點象全局變量（或本地變量）。 其實，它與全局變量功能上是相近的，但還是有些區(qū)別。其中最主要區(qū)別在于：負(fù)責(zé)產(chǎn)生信息的主循環(huán)必須保持循環(huán)查詢數(shù)據(jù)是否發(fā)生變化。在數(shù)據(jù)沒有發(fā)生改變的時候，從循環(huán)結(jié) 構(gòu)則完全停止執(zhí)行，只有當(dāng)新數(shù)據(jù)可用時才重新啟動（通知）。這就會使計算機(jī)減少浪費在無止境的輪詢中的時間。另外，全局變量破壞了數(shù)據(jù)流的關(guān)系，而這里則完全保證了數(shù)據(jù)流 的關(guān)系。 主從設(shè)計模式主要用來解決兩個或多于兩個的同時發(fā)生的并且擁有不同運行速率的線程的通信應(yīng)用中或者在運行于同一臺機(jī)器的兩個VI之間通信的工具。這種方式一般用來同步 兩個獨立的進(jìn)程，所以它的這些內(nèi)置函數(shù)是分類在函數(shù)選板的同步模版中。 其實，在數(shù)據(jù)采集和處理中，更需要這種主從構(gòu)架的應(yīng)用。比如，在連續(xù)數(shù)據(jù)采集和分析、處理中，我們可能會將采集、分析、處理放在一個While循環(huán)內(nèi)。那么While 循環(huán)運行一次的時間就是采集、分析、處理這三部分運行時間之和。如果任務(wù)中需要快速采集和實時處理，顯然這種在采集、分析、處理同放在一個While循環(huán)中的方式很不好， 很可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集的不連續(xù)性（數(shù)據(jù)時間上出現(xiàn)間斷點），也就是采集完后將等待分析、處理完成后才能再次進(jìn)行采集。 如果真的不希望這種情況發(fā)生，那就可以通過采用主從設(shè)計模式來解決這樣類似的問題。比如，將數(shù)據(jù)采集放到主循環(huán)中，分析和處理放置到從循環(huán)中。 由于我們不是LabVIEW內(nèi)置函數(shù)的設(shè)計者，所以不清楚主從設(shè)計模式的數(shù)據(jù)存儲方式，所以我們只能認(rèn)定：這種工作方式當(dāng)Send Notification有效時，元素被存儲，當(dāng)Wait on Notification有效時，元素被讀取，從而實現(xiàn)主從結(jié)構(gòu)間的數(shù)據(jù)傳遞。 這樣做就會高枕無憂了嗎？其實不然！ 這種構(gòu)架的缺點是：如果取走元素的速度慢，而發(fā)送元素的速度快，則會發(fā)生元素漏掉的情形。 為了驗證這樣的說法，我們做一個簡單的驗證程序。例 5.2.1-1 主從結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳遞試驗 圖5.2.1-2 是該程序的程序框圖。 圖 5.2.1-2 主從模式數(shù)據(jù)傳輸試驗程序框圖 主循環(huán)產(chǎn)生一個隨機(jī)數(shù)并發(fā)送到從循環(huán)，在每個循環(huán)中各放置一個Chat圖形顯示器來觀察隨機(jī)數(shù)發(fā)送和接收的情況。主從循環(huán)各放置一個定時器，選擇不同的定時時間來驗證 數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。1、主循環(huán)定時：150ms，從循環(huán)定時：150ms 圖 5.2.1-3 主循環(huán)、從循環(huán)定時均為150ms 從圖 5.2.1-3可以看出數(shù)據(jù)傳遞是準(zhǔn)確可靠的。2、主循環(huán)定時：200ms，從循環(huán)定時：150ms 圖 5.2.1-4 主循環(huán)定時200ms、從循環(huán)定時為150ms 從圖 5.2.1-4也可以看出數(shù)據(jù)傳遞是準(zhǔn)確可靠的。3、主循環(huán)定時：150ms，從循環(huán)定時：200ms 圖 5.2.1-5 主循環(huán)定時150ms、從循環(huán)定時為200ms 從圖 5.2.1-5可以看出數(shù)據(jù)傳遞明顯出現(xiàn)丟失數(shù)據(jù)的現(xiàn)象。數(shù)據(jù)沒有傳遞完是由于我們終止了運行。 還有一個問題，從循環(huán)的停止是來自于主循環(huán)提供的錯誤信息，那么如果從循環(huán)內(nèi)發(fā)生錯誤如何報錯？ 鑒于這些原因存在，這也是主從循環(huán)設(shè)計模式被使用的比較少的原因之一。那么有沒有更好的解決方法呢？這就是我們下節(jié)所要介紹的“生產(chǎn)者、消費者設(shè)計模式”。5.2.2 生產(chǎn)者消費者設(shè)計模式（Producer/Consumer design pattern） 可以說：生產(chǎn)者、消費者設(shè)計模式是圖形化程序設(shè)計中最廣泛使用的設(shè)計模式。 與生產(chǎn)者、消費者設(shè)計模式的相關(guān)內(nèi)置函數(shù)（Queue_隊列）參見下圖所示。 圖 5.2.2-1 生產(chǎn)者消費者設(shè)計模式內(nèi)置函數(shù)（隊列） 在圖 5.2-2中，就是基于數(shù)據(jù)流的圖形化代碼生產(chǎn)者消費者設(shè)計模式的表達(dá)形式或架構(gòu)。 它的構(gòu)成與上面所討論的主從設(shè)計模式基本相同，只是使用的內(nèi)置函數(shù)不同。同樣我們也不介紹內(nèi)置函數(shù)的定義和使用方式。同時，生產(chǎn)者消費者設(shè)計模式的基本工作原理也就 不多介紹了。 下面主要介紹它們之間的不同之處。 它們之間最大的不同就是數(shù)據(jù)存儲和傳輸方式的不同。生產(chǎn)者消費者設(shè)計模式采用了隊列的數(shù)據(jù)存儲方式（FIFO）。隊列的數(shù)據(jù)存儲是開辟一個緩存區(qū)，依據(jù)先進(jìn)先出的原則 進(jìn)行的。新來的元素總是被加入隊尾（即不允許加塞），每次離開的元素總是隊列頭上的（即不允許中途離隊），當(dāng)前最老的元素離隊。這樣就保證了數(shù)據(jù)傳遞過程中基本上 不會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。 為了驗證這樣的說法，我們還是同樣做一個簡單的驗證程序。例 5.2.2-1 生產(chǎn)者消費者結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)傳遞試驗 圖5.2.2-2 是該程序的程序框圖。 圖 5.2.2-2 生產(chǎn)者消費者模式數(shù)據(jù)傳輸試驗 生產(chǎn)者循環(huán)產(chǎn)生一個隨機(jī)數(shù)并發(fā)送到消費者循環(huán)，在每個循環(huán)中各放置一個Chat圖形顯示器來觀察隨機(jī)數(shù)發(fā)送和接收的情況。生產(chǎn)者消費者循環(huán)各放置一個定時器，選擇不同 的定時時間來驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。1、生產(chǎn)者循環(huán)定時：150ms，消費者循環(huán)定時：150ms 圖 5.2.2-3 生產(chǎn)者循環(huán)、消費者循環(huán)定時均為150ms 從圖 5.2.2-3可以看出數(shù)據(jù)傳遞是準(zhǔn)確可靠的。2、生產(chǎn)者循環(huán)定時：200ms，消費者循環(huán)定時：150ms 圖 5.2.2-4 生產(chǎn)者循環(huán)定時200ms、消費者循環(huán)定時為150ms 從圖 5.2.2-4可以看出數(shù)據(jù)傳遞也是準(zhǔn)確可靠的。3、生產(chǎn)者循環(huán)定時：150ms，消費者循環(huán)定時：200ms 圖 5.2.2-5 主循環(huán)定時150ms、從循環(huán)定時為200ms 從圖 5.2.2-5 可以看出數(shù)據(jù)傳遞也沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。實際上，由于數(shù)據(jù)傳遞被強(qiáng)行停止，所以后面的數(shù)據(jù)沒有被全部完全傳遞出來。解決這個問題的方法是在程序設(shè)計中添加一些處理程 序，這部分內(nèi)容可參考：LabVIEW網(wǎng)絡(luò)講壇系列第三季運籌帷幄生產(chǎn)者/消費者循環(huán)。 還是那個問題，從循環(huán)的停止是來自于主循環(huán)提供的錯誤信息，從循環(huán)內(nèi)如果發(fā)生錯誤如何報錯？ 下面給出一個使用Mac版LabVIEW編寫的DAQmxBase的實例（僅用于Mac數(shù)據(jù)采集應(yīng)用）。 圖 5.2.2-6