LabVIEWでの生産者/消費者アーキテクチャ

生産者/消費者パターンを使用すると、個々のレートで反復しながら、同時に複数のプロセスを簡単に処理することができます。

バッファ型通信

異なる速度で実行している複数のプロセスがある場合、プロセス間のバッファ型通信は非常に効果的です。バッファが十分に大きいと、生産者ループは、データ損失なしに消費者ループより高速で動作できます。
たとえば、アプリケーションに2つのプロセスがあり、1番目のプロセスはデータ収集を実行し、2番目のプロセスはそのデータを取得してネットワークに配置するとします。最初のプロセスは2番目のプロセスの3倍の速度で動作します。このアプリケーションを実装するために生産者/消費者デザインパターンを使用した場合、データ収集プロセスは生産者として機能し、ネットワークプロセスは消費者として機能します。十分な大きさの通信キュー（バッファ）があれば、ネットワークプロセスは、データ収集ループが収集する大量のデータにアクセスできます。データをバッファするこの機能により、データ損失が最小限に抑えられます。

キュー機能を使用した場合に発生するバッファ型通信を可視化するには、サンプルプログラムの「Move LabVIEW Window Using Producer/Consumer Loops」をご覧ください。

データ収集と処理

生産者/消費者パターンは一般的に、複数のデータセットを収集して順番に処理する場合に使用されます。
たとえば、データを受け入れ、受け取った順番でデータを処理するアプリケーションを作成するとします。このデータをキューに入れる（生産）は実際の処理（消費）よりはるかに速いので、生産者/消費者デザインパターンはこのアプリケーションに最適です。これにより、消費者ループは独自のペースでデータを処理することができ、生産者ループは同時に追加データをキューに追加することができます。

このアプリケーションで生産者と消費者が同じループ内にあると考えた場合、データ収集スピードはデータ処理スピードに合わせなければならないため遅くなります。 これが、データ収集 (生産者) と処理 (消費者) というプロセスに、プログラムを分割することが役に立つ理由です。 

ネットワーク通信

ネットワーク通信では、2つのプロセスを異なるスピードで同時に処理することが求められます。1番目のプロセスでは絶えずネットワークラインをポーリングし、パケットを回収します。2番目のプロセスでは1番目のプロセスで回収したパケットを受け取り、解析します。この例においては、最初のプロセスが2番目のプロセスにデータを要求するため、最初のプロセスが生産者として機能し、2番目のプロセスが消費者として機能します。このアプリケーションは、生産者/消費者デザインパターンを使用することに利点があります。並列する生産者ループと消費者ループが、データの回収と解析をネットワークから切り離して処理します。また、2つのループ間で、通信を待ち行列化して行うため、回収したネットワークパケットのバッファリングが可能になります。ネットワーク通信がビジー状態になると、このバッファリングが非常に重要になります。バッファリングを行うことにより、パケットの回収と通信が、解析よりも高速に実行できます。

キューメッセージの処理

キューメッセージハンドラアーキテクチャは生産者/消費者アーキテクチャの特別バージョンです。データキューは、生産者/消費者デザインパターンにおけるループ間のデータ通信に使われます。キューには、生産者と消費者のループ間のデータバッファリングという利点があります。

生産者/消費者デザインは生産者と消費者という2つのカテゴリに分類される並列ループで構成されます。生産者ループと消費者ループの間の通信は、キューまたはチャンネルワイヤを使用して行われます。

キュー

LabVIEWにはキュー操作VIが組み込まれており、このキュー操作VIには機能パレット→データ通信→キュー操作からアクセスできます。

キューは先入れ/先出し理論に基づいています。生産者/消費者デザインパターンでは、キューを生産者ループと消費者ループの外で初期化することができます。生産者ループは消費者ループのためにデータを生成するので、キューにデータを追加します（キューにデータを追加することを「エンキュー」といいます）。

消費者ループはそのキューからデータを削除します（キューからデータを削除することを「デキュー」といいます）。キューは先入れ/先出しであるため、データは、常に生産者がキューに追加したのと同じ順番で消費者によって解析されます。図1は、生産者/消費者デザインパターンをLabVIEWで作成する方法を示しています。

図1.生産者/消費者デザインパターン

メモ:この画像はLabVIEWスニペットで、ご自身のプロジェクトで再利用できるLabVIEWコードが含まれています。このスニペットを使用するには、画像を右クリックし、ご自身のコンピュータに保存し、保存したファイルをLabVIEWダイアグラムにドラッグしてください。

LabVIEWでキューを使用するためのサンプルが用意されており、ご自身のアプリケーションの開始点として使用することができます。サンプルを見つけるには、LabVIEWサンプルファインダを使って、キューを検索してください。

チャンネル

チャンネルワイヤ機能はLabVIEW 2016で追加されました。チャンネルワイヤを使ってキューと同じ機能を実現できます。

キューでは、キューリファレンスのセットアップ (キュー取得)、データの追加 (エンキュー)、データの削除 (デキュー) およびキューリファレンスのクローズ (キュー解放) を行います。チャンネルでは、このプロセスが簡易化され、データのライタとリーダをセットアップするだけで済みます。

チャンネルワイヤおよびスタートアップテンプレートの詳細については、LabVIEWヘルプの「チャンネルワイヤを使用して並列したコードセクションの間でデータを通信する」をご覧ください。

キューや同期など、生産者/消費者デザインパターンを扱う際に注意すべき点がいくつかあります。

キューの使用

問題:  キューは1つの特定のデータタイプにバインドされています。したがって、生産者ループで生成される異なるデータ項目ごとに、異なるキューを使用する必要があります。これはブロックダイアグラムが複雑化するため、問題になる可能性があります。
解決策:  キューは、配列やクラスタなどのデータタイプを受け入れることができます。各データ項目はクラスタ内に配置できます。これにより、様々なデータタイプはクラスタデータタイプの背後に隠れます。図1では、通信キューにクラスタデータタイプが実装されています。

同期

問題:  生産者/消費者デザインパターンは同期に基づいていないため、ループの最初の実行は特定の順番に従いません。 したがって、あるループをその他のループの前に初期化すると、問題が発生する可能性があります。

解決策:  生産者/消費者デザインパターンにイベントストラクチャを追加することで、この種の同期の問題を解決できます。 図2は、この機能を実現するためのテンプレートを示しています。 同期関数に関する詳細な情報は、関連リンクセクションの下にあります。

図2.生産者/消費者デザインパターンでイベントストラクチャを使用する

 メモ:この画像はLabVIEWスニペットで、ご自身のプロジェクトで再利用できるLabVIEWコードが含まれています。このスニペットを使用するには、画像を右クリックし、ご自身のコンピュータに保存し、保存したファイルをLabVIEWダイアグラムにドラッグしてください。
 

• LabVIEWでのデータ通信方法 - LabVIEWヘルプ