LabVIEW 程序的内存优化 2 – 子 VI 的优化

1. 子 VI 参数的缓存重用

    数据在子 VI 间传入传出,如果程序设计的好,可以做到缓存重用,使得数据在主 VI 和子 VI 中都不发生拷贝,提高程序的效率。

    我们先来看一下图1所示的 VI。打开 Tool>>Profile>>Show Buffer Allocations 工具查看一下这个 VI 中内存分配的情况,会发现在代码的加法函数处有一个黑点。这个黑点说明程序在这里有分配了一块内存,这个内存是用来存储加法运算结果的。


图1:控件不与接线器相连时,加法处有内存分配

    为什么加法函数在这里不做缓存重用呢?利用其中一个加数的内存空间来保存计算结果。 
    当这个 VI 运行的时候,图2中,加数 Numeric 的数据是由 VI 前面板的控件提供的。如果用户不修改控件的值,每次 VI 运行,这个数值应该是保持不变的。如果加法函数在这里做缓存重用,加数或者说它对应的控件中的数据,就会在加法运算执行后被修改。这样程序就会出现逻辑上的错误。
    所以把一个这样的控件联在 LabVIEW 的运算节点上,运算节点是不能重用控件的数据内存的。同样的道理,链接一个常量到运算节点上,节点同样不能做缓存重用。在子 VI 中,没有连到接线器上的输入控件就相当与一个常量。

    但是,如果我们让 VI 上的控件与 VI 的接线器(Connector Pane)相连,情况就不一样了。入图2所示,把三个控件连到接线器上,程序中加法节点上那个黑点就消失了,不再为运算结果分配新的内存。


图2:控件不与接线器相连时,加法处有内存分配

    这是因为,当输入控件与接线器连接后,LabVIEW 就认为这个输入值应当是由子 VI 的调用者(父 VI)提供的:连到接线器上,逻辑上,这个输入控件就不再是常量,而是一个输入变量了。既然是输入变量,子 VI 不需要记住输入的数据共下次调用时使用,因此可以把新产生的数据放在输入参数所在的内存,做到缓存重用。

    你可能在想,这个输入参数的内存不一定可以被修改吧,万一它的数据还要在父 VI 中被其它节点使用呢?
    子 VI 是不需要考虑这点的,输入数据的数据被修改肯定是安全的,这一点是由父 VI 来保证的。如果输入数据不能被修改,父 VI 会把传入的数据拷贝一份再传到子 VI 中去。
    比如图3中的程序,它所调用的子 VI 就是图2中那个 VI。由于与它的第一个输入参数相连的是一个常量,而常量的值是不能被改变的。所以 LabVIEW 要把这个常量的值复制一份,再传到子 VI 中去,以保证子 VI 中的运算节点可以做缓存重用。


图3:父 VI 中的数据拷贝

    如果图3中的父 VI,他也使用与接线器相连的输入控件为子 VI 提供输入参数,则 LabVIEW 会知道,父 VI 的这个数据是由再上一层 VI 提供的,这里也不需要需要做数据拷贝。这样,这个 VI 就也做到了缓存重用。设计合理,参数在传递多个深度后都不需要开辟新内存的。

    从上面的说明中,还可以发现一个问题。就是,有时候子 VI 的改动,会影响父 VI 的行为,比如是否为传入子 VI 的数据做个拷贝等等。有时候我们发现改动了一个子 VI,它的父 VI 也需要重新保存,就是由这个原因引起的。

2. 输入输出参数的排布

    在子 VI 的程序框图上,不论代码有多复杂,有多少嵌套的结构,控件终端最好按照这样的方式排布:所有输入参数(控制型控件的终端)都放在代码的最左端排成一列;所有的输出参数(显示型控件的终端)都放在代码。比如图4中的代码的风格就比较好。


图4:控件终端整齐的排列在程序框图左右两端

    这首先是为了保证程序有良好的可读性。我们在阅读 LabVIEW 代码的时候总是按照从左到右的顺序,所有的参数都排布在一起,我们就可以以数据线为线索,轻易的找的数据被读写的地方。其次,这种风格的 VI,在效率上也比较优化。

    对于一个输入参数(控制型控件的终端),如果把它放程序代码的最左侧,所有结构的外面,程序在运行这个子VI之前,就可以得到这个参数的确切值了。
    但是,如果这个终端是在代码的某个结构中的,在某一结构的内部,那么LabVIEW必须在运行到这一结构内部的时候,才可以去读这个参数的值,否则可能会引起罗技上的错误。比如说,一个控制型控件的终端是在一个循环的内部,开始时它的值是x。在运行到第n次循环之前,这个终端对应的前面板上的控件被人改为一个新的数值y。那么逻辑上,在执行第n次循环之前,每次用到这个参数时,它的值要保持为x,而在第n次循环的时候,又要使用它的新值y。这样的数据所在的内存,LabVIEW 显然是不能将其重用的,否则下次循环再读它的时候,数据就不正确了。
    如果这个终端是在所有结构之外,LabVIEW 则可以根据数据线的链接,明确的判断出在某一节点执行完之后,程序再也不需要用到这个参数的值了,那么 LabVIEW 就可以重用它所在的内存,以避免开辟新内存,拷贝数据等操作。这样就提高了程序的内存效率。

    对于一个输出参数(显示型控件的终端),如果它位于某个条件结构的内部,LabVIEW 就要考虑,程序有可能执行不到这个条件。LabVIEW 就会多添加一些代码来处理这种情况,当 VI 没有运行到这个条件时,要给输出参数准备一个默认值。
    把这个终端移到所有结构之外,就可以省去这部分 LabVIEW 自动添加上去的工作和,稍微提高一点效率:)

3. 良好的数据流结构可以优化程序内存效率

    先看一个程序:


图5:程序中没有必要的数据线分枝

    图5 的程序只是一个演示,不必追究它到底实现了什么功能。图中的左半部分是主 VI,在这个 VI 中对输入的数组数据Array进行了两次操作:一次使用 subVI“My Search” ;另一次使用了数组排序函数。图5 的右半部分是 subVI“My Search”的程序框图。
    需要注意的是,主 VI 上 Sort 1D Array 函数那里有个黑点(这个黑店靠近黄色方块的中心,这里看不太清楚,和图6对比一下,就可以发现了),说明这里做了一次内存分配。这是因为Array的数据被同时传递到了“My Search”和“Sort 1D Array”两个节点进行处理。这两个操作可能会同时进行,LabVIEW 为了安全(两个操作对数据的改动不能相互影响,不能同时对一块内存进行读写),就必须为这两个节点准备两份数据在两份内存中。所以在“My Search”和“Sort 1D Array”两个节点中,如果一个节点用了原来Array的内存,另一个节点就需要拷贝一份数据给自己用。
    不过,如果看一下“My Search”的程序框图,它其实没有对Array数据进行任何改动,主VI完全没有比要给“Sort 1D Array”开辟一块新内存。我们只要对程序稍作改动,就可以对此进行优化。图6 是改进后的程序:


图6:符合数据流风格的主VI

    在改进后的程序中,Array 数据首先传入subVI“My Search”,然后又传出来,继续传给“Sort 1D Array”函数。这样子看上去好像数据要多到子VI中转一圈,但实际上,由于子VI中Array输入输出是缓存重用的,实际上相当于只是把数组数据的引用传给了子VI,效率是相当高的。而在主 VI 中,执行“Sort 1D Array”时,LabVIEW 知道输入数据现在是这个节点专用的,改了他也是安全的,于是也可以缓存重用。图六中,“Sort 1D Array”上的那个小黑点就消失了。

    图6 中的主 VI,它的优点首先是符合数据流的风格。一个主要的数据从左到右,流经每个节点。这样的程序非常容易阅读和理解。LabVIEW 也更容易对这样的代码进行优化,所以这样风格的程序通常效率也比较高。
    有的时候,利用 LabVIEW 的自动多线程特性,书写并行代码,对程序效率有利。比如,程序中某一部分的代码需要较长时间的计算或者读写时间的情况。但是并不是任何时候并行执行都好。并行书写的程序不易理解,容易出错,多线程运行也会带来额外的开销。像图5、图6中的程序,数据量较大,但是并没有比较耗时的运算操作,或数据读写操作,这样的程序,串行运算比并行效率更高。

阮奇桢

《我和 LabVIEW》
《LabVIEW 程序的内存优化 1》

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6 thoughts on “LabVIEW 程序的内存优化 2 – 子 VI 的优化

  1. Pingback引用通告: LabVIEW 程序的内存优化 1 « 凡人琐忆

  2. 这几篇我看了一遍又一遍,收获很大 ,但是还是没能灵活应用到我的项目:)还要继续努力

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