任務并行化(Task Parallelism)

　　將整個程序分成多個線程來并發(fā)運行，是并行編程的一個基本理念，那么通常一個程序都會由幾個子任務組成，例如在某個測試測量程序中，就可以分為模擬采集和數(shù)字輸出兩個任務，那么如果我們將這些獨立的任務并發(fā)地執(zhí)行在多核處理器中，那么就自動提高了運行的效率。這種將獨立的幾個任務在程序中并發(fā)執(zhí)行的方法，就叫做任務并行化。

　　對于任務并行化，如何合理地去實現(xiàn)任務分配是需要解決的問題。首先，我們可以將本身就互相獨立的任務分配在不同線程中，如上例所提到的模擬采集與數(shù)字輸出任務，之間就沒有任何的數(shù)據(jù)連接，因此在LabVIEW中我們就可以并行地將代碼放在程序框圖中，不需要添加任何其他代碼，如圖5所示。

圖5 LabVIEW對獨立任務自動實現(xiàn)“任務并行化”

　　此外，編程中常見的生產(chǎn)者—消費者循環(huán)也是一種任務并行化，在LabVIEW下我們可以將生產(chǎn)者(讀取數(shù)據(jù))與消費者(分析數(shù)據(jù))分成并行的兩個任務，任務之間的數(shù)據(jù)交互可以使用隊列結(jié)構(gòu)(Queue)來實現(xiàn)，如圖6所示。

圖6 生產(chǎn)者—消費者模型實現(xiàn)任務并行

　　數(shù)據(jù)并行化(Data Parallelism)

　　除了可以將程序任務進行并行化之外，對于一些海量數(shù)據(jù)的處理分析，我們還可以將數(shù)據(jù)分成幾個可并行操作的小數(shù)據(jù)集，然后分別在各個核上實現(xiàn)并行處理，最后將結(jié)果整合起來作為整體數(shù)據(jù)集的處理分析結(jié)果，這種方式稱為數(shù)據(jù)并行化。

　　如圖7(a)所示，一個大的數(shù)據(jù)集僅僅在一個核上進行處理和運算，當核1在處理數(shù)據(jù)時，其它的三個CPU核都處在閑置狀態(tài)，整個系統(tǒng)的運行效率很低。

　　那么，使用了數(shù)據(jù)并行化之后，如圖7(b)，之前的大數(shù)據(jù)集被分割成4個小數(shù)據(jù)集，并將它們在各自的核上進行處理運算，最終再將各自的運算結(jié)果整合起來作為大數(shù)據(jù)集的處理結(jié)果。經(jīng)過了數(shù)據(jù)并行化之后，整個系統(tǒng)的運算效率有了直線的提升。

(a)

(b)
圖7 數(shù)據(jù)并行化

　　與“任務并行化”類似，在LabVIEW下實現(xiàn)“數(shù)據(jù)并行化”也相當?shù)闹庇^與方便，圖8就顯示了一個矩陣相乘的代碼，程序中將兩個大矩陣各自分割成小矩陣進行相乘，最 后再整合起來，僅僅這樣一個簡單的改變就可以在一個雙核處理器上得到0.9倍的性能提高。

圖8  LabVIEW矩陣相乘的數(shù)據(jù)并行化

　　流水線式(Pipeline)

　　流水線，顧名思義，就是指將一系列的任務分割成固定的幾個步驟，然后按照裝配線的方式來執(zhí)行。

　　我們以一個最簡單的汽車裝配線為例，一輛車的裝配完成需要3個步驟：底盤安裝、零件安裝以及上漆。如果每個步驟都需要花費1個小時的話，那么如果一次就裝配一輛車的話，我們需要花3個小時來完成(圖9a)。

　　那么，如果我們換一種思路，分別對每個步驟設立一個工作站(例如工作站1就專門負責底盤安裝，以此類推，如圖9b)。這樣一來，我們看到，當一輛車在上漆時，另外一輛車可能正在進行底盤安裝。通過這種方式，我們成功實現(xiàn)了每一個小時就能完成一輛車的裝配，是之前裝配速度的3倍。這個例子中所說的工作站，其實就可以算作是CPU各個核，那么通過這種流水線的操作方式，就可以充分利用多核技術(shù)，大大提高整個程序的運行速率。        

(a)

(b)
圖9  流水線式編程思路

　　而在LabVIEW下實現(xiàn)流水線式編程也是非常方便，圖10就是一個最簡單的4個步驟的流水線式代碼，在一個For循環(huán)中，并行地執(zhí)行4個處理步驟，系統(tǒng)將這并行的4個步驟放在不同的核上運行，從而起到“工作站”的作用，實現(xiàn)了流水線式的編程。

圖10  LabVIEW下實現(xiàn)流水線式編程

　　綜上所述，任務并行化、數(shù)據(jù)并行化以及流水線式是并行編程的三種最常用的方式，相對于以往的順序結(jié)構(gòu)，這些編程方式可以在多核處理器上發(fā)揮更強大的作用，而在LabVIEW下可以很方便地實現(xiàn)這些編程方式，從而幫助工程師們從多核處理器技術(shù)中得益，提升系統(tǒng)的性能和運算速度。

結(jié)語

　　隨著新一代處理器技術(shù)的日益普遍，工程師與開發(fā)人員的一個必要考慮因素就是他們使用的軟件如何從多核系統(tǒng)中獲得潛在的性能提升。LabVIEW作為天生并行的圖形化編程環(huán)境，可以自動將程序多線程化，避免了開發(fā)人員繁瑣的底層實現(xiàn)，將主要精力投入在高層的編程模式上；而作為并行編程的三種常用模式(任務并行化、數(shù)據(jù)并行化以及流水線式)，在LabVIEW下也都能高效地予以實現(xiàn)。因此，不容置疑的是，隨著具有更多核的處理器不斷涌現(xiàn)，LabVIEW將幫助開發(fā)人員真正邁入并行，馳騁多核技術(shù)時代！

參考文獻：

　　1.  劉全周，汪看華，張宏偉，基于LabVIEW和PXI的汽車數(shù)字儀表測控系統(tǒng)，電子產(chǎn)品世界，2008.2