详细讲解一下不同的LabVIEW多线程同步机制

我们提到过使用局部变量、全局变量时，必须注意处理好并发访问。

举个例子：有A、B、C三个线程在并发执行。A线程修改了变量V的值，期望线程C能够读取到最新的值。B线程却在C线程读取变量V的值之前修改了V的值。这种情况我们说变量V被污染了、数据脏了。 要处理好变量的并发访问、多线程对变量的访问，我们需要使用同步机制。

在多线程软件设计中，不仅仅对变量的访问，对任何竞争性资源的使用/访问都必须使用合理的同步机制进行管理。比如，有两个线程都需要使用某个模拟输出通道，但是模拟输出通道只有1个、同一时刻只能由1个线程使用，这种情况下我们把这个模拟输出通道称作竞争性资源。

如果不对这个模拟输出通道的访问进行合理的管理，可能导致输出错误的模拟量、线程死锁、软件假死等问题。

LabVIEW可用的同步机制

在Programming->Synchronization分类下，我们可以看到LabVIEW里可用的同步机制。

名称	作用	相关VI
通知器操作 Notifier Operations	挂起某个线程直到收到某个通知	Wait on Notification、Send Notification等
队列操作 Queue Operations	使用队列在线程内或线程间传递数据	Enqueue Element、Dequeue Element等
信号量 Semphore	通过信号量限制对竞争性资源的访问	Acquire Semphore、Release Semphore等
集合点 Rendezvous	通过集合点同步多个线程。每个到达集合点的任务将等待，直到集合点处等待的任务达到指定的数量后，所有任务才继续执行。	Wait at Rendezvous、Resize Rendezvous等
事件发生 Occurrence	通过事件发生控制和同步线程内或线程间的活动。	Generate Occurrence、Wait on Occurrence等
首次调用 First Call？	判断某段代码或某个子VI是否首次执行	/
同步数据流 Synchronize Data Flow	同步数据流，可使用多个线程的数据传送在该VI处得到同步，以确保数据传送顺序。	/

同步机制的应用

下面我们用具体的例子来详细讲解一下不同的同步机制。

1）Notifer Operations

上面这个示例，Loop1和Loop2是两个并行的线程。这是实现多线程的最基本的方法。Loop1负责产生数据和停止这两个线程的运行；Loop2负责读取Loop1产生的数据，并在需要的时候及时终止线程（退出循环）。它是怎么实现的呢？Loop2等待数据通知器发出通知、等待终止通知器发出通知，收到通知后把数据读出来或者退出循环。Loop1则是把数据或者退出控件值通过发送通知传递给Loop2。

第一步：Obtain Notifer，获取通知器，如果不存在则创建。创建时按照初始值进行初始化。

第二步：Send Notification，发送通知。把数据或者控件值通过发送通知发送给等待对应通知器的线程。

第三步：Wait on Notification，等待通知。Loop2里调用Wait on Notification挂起线程，直到收到Loop1发出的通知后继续执行。

第四步：Release Notifer，释放通知器。释放资源，避免内存泄露。 这个示例里Loop1加了100ms的等待，可以确保通过Send Notification发送出去的数据可以被Loop2获取到。

如果没有这个等待100ms，Loop1发送的数据是可能丢失的，通知器不会缓冲已经发送的消息，新的消息会覆盖旧的消息。如果需要缓冲消息（连带数据），可以使用队列。

关于通知器，我们再看一个VI：Wait on Notification from Multiple，它方便我们等待多个通知，实现多对一的同步。

2）Queue Operations

下面这个代码，实现的功能和上面Notifier Operations里的例子是一样的。不同的是这里用的是队列（Queue）。队列的特点是先进先出（FIFO）、缓存数据。

前面提到过，如果Loop1没有100ms等待，使用Notifer Operations是可能会丢失数据的，但是队列这里是不会的。哪怕我们去除Loop1里的100ms等待、在Loop2里加上100ms等待，让数据产生的速度大于数据被读取的速度，也是不会导致数据丢失的，来不及被读取的数据都会被存储在队列里。

队列不能实现类似Wait on Notification from Multiple的功能。

3）Semaphore

Semaphore，信号量，是一个常见且重要的概念。可以简单理解为类似红绿灯（信号灯）的功能。四个方向的车都要过十字路口，十字路口又不能同时过的，它是一个竞争性资源，不同方向的车（线程）对它的使用存在竞争。实际生活中是怎么办的呢？谁获得了绿灯（信号量）谁就可以通过。 多个线程访问竞争性资源前，先尝试获取信号量，能够获得信号量的线程有权使用竞争性资源，使用完竞争性资源后释放信号量（单方向绿灯不能一直亮着啊）。

此外，对关键代码段（Critical Section）也需要使用信号量进行保护。关键代码段是指涉及变量或竞争性资源访问的代码，采用信号量进行管理，以避免多个线程同时修改变量或试图同时访问竞争性资源。

4）Rendezvous

Rendezvous，集合点，比较好理解，大家都到集合点后再出发。

例如下面这个代码：

第一步，创建集合点。集合点大小为2，表示需要等待两个任务到达集合点代码才能往下执行。

第二步、第三步，在集合点等待，Wait at Rendezvous。当Loop1和Loop2的数据流都到达集合点后，Loop1和Loop2才能够往下继续执行。

第四步，销毁集合点，释放内存。

5）Occurrences

事件发生（Occurrences），用于在不同代码位置或不同线程之间同步活动。事件发生不需要轮询。 例如以下代码： 第一步，产生一个事件发生（Occurrence）。 第二步，Loop2等待第一步产生的Occurrence。这个时候Loop2线程被挂起，只有等待的事件发生（Occurrence）被Set后这个线程才会继续执行。 第三步，Loop1在完成其它可能的工作后，Set第一步中产生的事件发生（Occurrence），以使得所有在等待该Occurrence的线程可以继续运行。

6）First Call？、Synchronize Data Flow

First Call？检查某段代码或者某个子VI是否是第一次运行。 Synchronize Data Flow用于同步数据访问，它有四个输入端，并有四个输出端与输入端一一对应。只有四个输入端的数据都达到该VI节点了，代码才会从该节点继续往下执行。 例如下面代码，当First Call？检查到该VI是第一次运行时，先等待四个模拟信号数据（可以是实际项目中的文件读取、数据采集、系统初始化等工作）都到齐后，再往下执行代码。

所以下面这个测试代码（ONCE就是上面的VI）里，只会有一个Graph控件会有波形数据显示。另一个Graph控件的ONCE子VI被判断为非首次执行，没有波形数据产生。

使用好这些同步机制可以让我们设计出可靠的应用软件。涉及代码内并发访问、多线程、竞争性资源使用的，必须采用一定的同步机制，否则软件一定会有出错的时候——可能暂时没发现，但是隐患一直在。  

审核编辑：刘清