LabVIEW馳騁多核技術時代

摘要：本文主要介紹了專門針對多核應用而優(yōu)化的全新LabVIEW軟件，并詳細介紹其開發(fā)優(yōu)勢。

關鍵詞：LabVIEW；多核；并行處理；并行編程

多核時代的編程挑戰(zhàn)

　　眾所周知，由于對芯片功率和熱效應的制約，以往單純通過提高主頻來提高處理器運行速度的做法已經不再可行，一個新的架構已經逐漸成型，那就是多核。

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

　　然而，這對于工程師和程序員們來說，意味著什么呢？

　　在以往，程序開發(fā)人員們只需換上一塊更高計算性能的處理器，就可以在無需任何代碼修改的情況下，自動加快了每一行代碼的執(zhí)行速度。然而在如今的多核時代，這樣的“免費午餐”已經結束了。如圖1所示，即使是在一個4核處理器上，如果其應用只是單線程的話，操作系統(tǒng)仍舊會將所有的任務分配到其中一個核上運行，導致多核處理器無法得到充分的利用。因此，為了充分利用多核處理器，需要有新的編程方法。

圖1 單線程編程無法充分利用多核處理器

　　而這恰恰是一個巨大的編程挑戰(zhàn)，針對這個問題，比爾蓋茨也說過：“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)性問題。但正如任何一位編寫過多線程代碼的開發(fā)者告訴你的那樣，這是編程領域最艱巨的任務之一。”

　　總體而言，多核處理器編程存在以下幾大難點：首先是并行的思考方式，比如要分辨出哪些任務是可以同時執(zhí)行的，這并不是一件容易的事情，尤其對于習慣于順序結構編程的開發(fā)人員來說，思考方式的轉變往往需要花相當長的一段時間。

　　其次是線程的創(chuàng)建和管理。開發(fā)人員把任務劃分成多個并行步驟之后，就要通過線程的方式來編程實現(xiàn)。事實上，多線程編程是相當困難的，很多傳統(tǒng)的編程語言都需要一組新的函數(shù)或結構來創(chuàng)建、同步、加解鎖線程，這意味著工作量的增加。例如用C++寫一個多線程的程序，程序員就必須要非常熟悉C++，了解如何將C++程序分成多個線程和任務間并發(fā)的同步，此外還要了解Windows多線程的機制，熟悉Windows API的調用方法，或者MFC的架構等等；在C++上調試多線程程序，更是被許多程序員視為噩夢。

　　最后，開發(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、內存、硬件等等，否則會導致資源的沖突和爭奪，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言，由于其自身是一種順序的編程模式，因此在對待并行編程時顯得有些力不從心。雖然對于一些學習計算機編程或軟件工程的專業(yè)開發(fā)人員來講，使用文本語言在一個雙核處理器中開發(fā)并行編程機制可能還不足以被難倒的話，那么當Intel推出80核處理器之后，其編程的復雜度相信任何開發(fā)人員都無法應付。因此，工程師和開發(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代的到來。

LabVIEW — 天生并行的編程語言

　　LabVIEW就是這樣一種馳騁多核技術時代的編程語言，可以幫助開發(fā)人員高效地享用多核技術所帶來的益處。

　　LabVIEW是一個基于數(shù)據流的圖形化開發(fā)平臺，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構的編程語言?；贚abVIEW的數(shù)據流特性，如果連線中存在著分支，或者是框圖中有著并行序列，那么后臺的LabVIEW執(zhí)行器就將自動地實現(xiàn)并行化運行，這種在計算機科學術語中叫做“潛在并行化”(圖2)。例如，我們在LabVIEW下創(chuàng)建了多個循環(huán)，那么相對應的也就創(chuàng)建了數(shù)個新的執(zhí)行線程，從而這些并行循環(huán)就會自動分配成多個線程分到多個處理核上，讓LabVIEW開發(fā)人員享受到了多核處理器的性能優(yōu)勢。

圖2 LabVIEW本身就是自動多線程的編程語言

　　從單核到雙核的處理器，理論上來說，獲得的運算性能可以達到原先的兩倍。但是，與這個極限值的接近程度取決于用戶應用程序并行化運行的程度。使用LabVIEW，我們就可以方便地實現(xiàn)應用程序性能的改進，通過最少的編程調整，并行應用便可以獲益于多核處理器。對于普通的LabVIEW應用程序而言，如果不考慮多核編程技巧，在不改寫代碼的情況下，與最初的基準程序相比，可以獲得25%到35%性能上的提升，這也就意味著“免費的午餐”還沒有結束。

　　下面我們來看圖3的簡單例子。其中LabVIEW代碼中的分支簡化了兩個分析任務 ——濾波操作和快速傅立葉變換(FFT)，使它們可以在雙核機器上并行化執(zhí)行。首先程序在單核的模式下(關閉其中一個核)運行一次，然后在雙核模式下運行。從圖中可以看到，由于兩項任務的計算量都很高，因此利用任務并行化獲得的性能改進為原先的1.8倍。

圖3 LabVIEW數(shù)據流編程的并行特性

　　Windows操作系統(tǒng)是自動將線程分配到不同的核上，那么對于某些應用，如果有一個對時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問題，從而獲得對于多核處理器更多的控制權。在 LabVIEW中，工程師可以根據自身需求手動設置線程運行在特定的核上，例如將時間要求苛刻的采集與控制任務放在單獨的核上運行，而將對確定性要求不高的界面響應、數(shù)據記錄等任務放在另外一個核上運行(圖4)。值得一提的是，實現(xiàn)這樣的操作非常簡單，就像放一個LabVIEW循環(huán)一樣，只需放置一個定時循環(huán)(Timed Loop)，再分配那個循環(huán)到指定的核上即可。

圖4 LabVIEW 允許用戶手動分配線程在指定的核上運行

　　作為一個典型的多核應用案例，德國的Max Planck研究院要實現(xiàn)針對核聚變能源的受控熱核反應裝置的等離子控制，這種高速控制需要將88個磁感應器上的大量數(shù)據轉換為64×128個點格上的偏微分方程組，并要在短短的1ms內完成整個計算過程。最終他們使用LabVIEW在一個8核的系統(tǒng)上采用并行技術，將整個系統(tǒng)的運算速度提高了5倍，成功地達到了1ms閉環(huán)控制速率的要求，完成了這個“不可能的任務”。

基于LabVIEW的并行編程

　　LabVIEW自身所具有的并行特性使得開發(fā)人員可以不用花過多的時間放在多線程的創(chuàng)建、管理、同步、調試等底層實現(xiàn)過程上，而可以將主要精力聚焦在整個并行程序的高層架構上，這是能否高效利用多核處理器技術的關鍵所在。

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