操作者框架

LabVIEW 2013

“操作者框架”模板创建的LabVIEW应用程序可包含多个需要互相进行通信的独立任务。该框架专门设计用于解决常见开发情形中遇到的问题：扩展功能或添加其他处理时需要大量复制代码。

每个操作者被定义为一个LabVIEW类，启动操作者的一个实例可实例化LabVIEW类，操作者实例由LabVIEW对象表示。基础操作者类（“操作者”）的所有子孙类都包含“操作者核心”方法，其作用相当于一个队列消息处理器。该VI接收并响应系统中其他操作者发送给它的消息和数据。但由于操作者是LabVIEW类，因而比传统的队列消息处理器更容易重复使用和扩展。

操作者之间的通信线路总是构成一棵层次树。通常在“操作者框架”应用程序中，一个小型stub VI启动一个根操作者。该操作者成为一个或多个嵌套操作者的调用方操作者。每个嵌套的操作者可能启动它自己的嵌套操作者，依次类推。“调用方至操作者”关系和操作者层次树是“操作者框架”应用程序涉及的基础。通常情况下，一个操作者只能和它的调用方，或者它自己的嵌套操作者通信。National Instruments建议避免在操作者层次树中建立任何直接通信。不过，如有充分理由，在层次树中建立跨越节点的直接通信也是可行的。关于操作者层次树的更多信息，见操作者框架白皮书。

本模板包含三个操作者：应用程序(Application)、Alpha和Beta，同时还演示了它们彼此之间进行通信的方式。

注   本模板大量使用LabVIEW类。使用“操作者框架”设计应用程序要求熟悉LabVIEW面向对象编程原理。本文档提供了理解和修改“操作者框架”模板所需的相关信息。关于使用“操作者框架”设计应用程序的详细信息，见项目浏览器窗口中Project Documentation文件夹下的Actor Framework Whitepaper。

范例

关于修改本模板以用于应用程序的范例，见创建项目对话框中的“反馈式蒸发冷却器”范例项目。

开发者走查

关于本模板开发者走查的详细信息见ni.com。

系统要求

LabVIEW基础版、完整版或专业版开发系统

使用条件

“操作者框架”适用的应用程序为：需要复制大量代码，但每个副本改动不大的情况。使用这种方法开发大中型应用程序十分困难，尤其是用户需要维护和扩展应用程序的时候。

例如，假设一个测量应用程序需要连续同时进行应变测量和电阻测量。传统的操作方法可能如下：创建一个进行应变测量的队列消息处理器，复制该队列消息处理器，修改副本以进行电阻测量，然后将两个队列消息处理器合并在一个应用程序中。这样的操作方式导致两个队列消息处理器共用大量相同的代码，但彼此之间又有细微的差别。如修改程序的某个部分，则必须在另一个程序中跟踪并复制这些修改。

使用“操作者框架”方法时，首先需要确定两种测量类型共有的功能，如下列步骤所示：

• 获取硬件设备的引用
• 连续进行测量
• 连续处理测量
• 连续向用户显示处理后的测量结果，附带显示之前测量的历史记录
• 关闭硬件设备的引用

每个步骤类似于队列消息处理器中的一个状态，或消息框图。尽管两种测量中这些步骤相同，但每种测量特定的命令有所区别。例如，使用的硬件设备不同，采集数据的VI不同，应用于测量的处理也各不相同。

“操作者框架”面向对象的方法解决了可扩展性和重复使用的问题，同时还提供其他功能。使用“操作者框架”可将上述通用功能封装到一个“测量”操作者中。“测量”操作者是一个LabVIEW类，本身无法进行测量；相反，它的成员VI可以从总体上定义需要哪些步骤。每个步骤都和类中的一个成员VI相关联。

由于“测量”操作者是一个LabVIEW类，因此可创建两个从“测量”操作者继承特定功能的子操作者：一个“应变”操作者和一个“电阻”操作者。子操作者将继承父操作者的功能，但同时还会添加与应变或电阻相关的特定操作，从而使得这些操作者可以进行连续测量，并处理和显示测量结果。这种方法将通用功能封装到一个单独的点（“测量”操作者），从而将代码的重复使用性最大化，定义特定的命令则由其子操作者完成。

此外，由于每个操作者是一个独立的实体，因而应用程序可以将操作者动态加载到内存。例如，可设置这样一个应用程序：单击一个按钮，进行应变或电阻测量。没有“操作者框架”，要实现这种功能十分困难，耗费时间且容易出错，尤其是计划将来修改或扩展应用程序的时候。“操作者框架”就是为了这些应用程序而设计的。

运行本模板

按照下列步骤运行本模板：

1. 在项目浏览器窗口，打开并运行应用程序启动器.lvlib:Splash Screen.vi。
2. 查看事件记录中的消息，它们是每个嵌套操作者（Alpha和Beta）发送至顶层操作者（应用程序）的消息。
3. 单击发送Alpha消息。应用程序操作者发送一个消息至Alpha操作者。查看事件记录的响应。
4. 单击发送Beta消息。应用程序操作者发送一个消息至Beta操作者。查看事件记录的响应。
5. 单击停止全部可停止应用程序。

操作者框架组成部分

“操作者框架”由操作者和消息构成。消息在消息队列中传输。为减少出错和提高应用程序的可靠性，“操作者框架”限制了能够互相发送消息的操作者。

操作者

操作者是LabVIEW类，代表某个任务的状态。所有操作者类均从LabVIEW中的“操作者”类继承。该类由三个主要部分构成：

• 操作者的核心VI－核心VI是一个特定命名的方法（“操作者核心”），用来定义操作者的连续行为。该方法定义了所有操作者的消息处理行为。该类的子孙类重写方法以显示操作者的用户界面、添加并行循环和启动嵌套操作者。
• 操作者的特定方法－这些VI是LabVIEW类的成员VI，用于定义操作者。通常每个方法对应于操作者能够执行的一个任务。祖先类（“操作者”类）包含几个专门设计用于被子孙类重写的方法。
• 操作者的消息－消息是一个LabVIEW类，定义了操作者能够接收的指令和作出响应的方式。其他操作者将这些消息发送至一个操作者，以便让操作者调用其中的一个方法。在“操作者框架”基础上创建应用程序时，通常需要为操作者的每个方法定义一个消息。所有消息均从LabVIEW中的“消息”类继承。
  
  虽然消息本身并不是操作者的一部分，但用户通常在定义操作者的同时定义了操作者的消息。由于这种紧密的联系，模板将操作者和消息放在同一个项目库中。

例如，下面截图显示的项目库包含一个操作者Alpha（Alpha类）和一个消息(Alpha任务消息类)。

上面的截图显示了与该操作者相关的下列文件：

• 操作者的核心VI是操作者核心。该方法重写其祖先的“操作者核心”方法，定义了Alpha操作者特有的连续行为。
• 操作者的方法是停止核心和任务。这些方法在下列条件下执行：
  • 停止核心在Alpha操作者收到“停止”消息时执行。该方法重写“操作者”类的“停止核心”方法，用于定义Alpha操作者特有的行为。
  • 任务在Alpha操作者收到“任务”消息时执行。该方法为Alpha操作者特有，即“操作者”类中未定义该方法。
• 操作者的消息包含在Alpha的消息文件夹中。该操作者仅定义一个消息，即Alpha任务消息，该消息从“消息”类继承，包含下列文件：
  • Alpha任务消息控件是该消息携带的数据。
  • 发送Alpha任务是其他操作者用来发送“任务”消息至Alpha操作者的VI。该VI将创建消息的一个实例并用一些数据填充消息。
  • 执行定义了Alpha收到“任务”消息时执行的动作。本模板中，“执行”VI命令Alpha执行其“任务”方法。

  注   Alpha类包含一个“停止核心”方法，该方法收到“停止”消息时执行；但本模板未定义一个“停止”消息。“停止消息”类在操作者框架中定义；所有操作者均从“操作者”类中继承了处理该消息的能力。子孙类（如Alpha）仅需重写“停止核心”方法。 Alpha类无需定义接收和响应消息的过程。该行为在“操作者”类的“操作者核心”方法中定义并被所有操作者继承。

最小化操作者之间的通信错误

默认情况下，一个特定的操作者X仅可将消息发送至下列操作者：

• 调用方－启动X的VI（可能是一个操作者）
• 嵌套操作者－X启动的任何操作者

这种被限制的通信顺序称为任务树。这表明仅有一个通信路径需要管理，因而很容易写入代码，确保关闭之前其他操作者有机会接收消息并作出响应。

例如，本模板定义了下列任务树：

其中项目_名称指用户给项目的命名。

该图表明应用程序操作者同时启动Alpha和Beta操作者。因此，应用程序操作者被称为顶层操作者。顶层操作者启动所有其他操作者。顶层操作者本身从一个正常VI启动。

注  任务树层次结构与LabVIEW类继承层次结构有所不同。虽然Alpha和Beta从应用程序启动，但Alpha和Beta类并不从项目_名称类中继承。

在该任务树中，下列通信规则有效：

• 应用程序可将消息发送至Alpha和Beta
• Alpha仅能将消息发送至应用程序
• Beta仅能将消息发送至应用程序

这说明Alpha和Beta无法将消息发送至对方。Alpha必须发送一个消息至应用程序，确定Beta是否需要接收该消息并采取相应的动作。同样，限制通信路径有助于写入更多易于管理和正确无误的代码。

下面的程序框图显示了项目_名称类中“操作者核心”方法的代码，该代码通过启动Alpha和Beta定义任务树：

消息队列

消息通过队列发送。为了限制任务树，每个操作者最初仅可访问下列两个消息队列：

• 操作者用来将消息发送至调用方的队列
• 操作者用来将消息发送至自身的队列

访问一个队列与队列本身有所不同。为避免其他操作者释放其消息队列，操作者并不共享自身的队列。相反，操作者框架引入了待入队列的概念。待入队列是一个引用，可使操作者发送消息至队列，但不执行其他任何操作。

例如，假设操作者X已经在运行。启动时，X获得一个用来发送消息至自身的队列。在X看来，该队列是至当前类队列。如X启动Y，则发生下列动作：

1. X是Y的调用方，因此X允许Y访问X的至当前类队列。在Y看来，该队列是至调用方队列。队列相同，但有两个不同的观察角度。
2. Y获得一个发送消息至自身的队列。在Y看来，该队列是至当前类队列。
3. Y允许X访问步骤2中获得的队列。

现在Y可以访问两个队列：

• 至调用方队列－步骤1中X允许Y访问的队列。注意该队列和X用来与自身通信的队列相同。
• 至当前类队列－步骤3中Y为自身获得的队列。

下图显示了这两个操作者互相进行通信的方式：

现在X能够将消息发送至自身(1)和Y (2)。Y能够将消息发送至X (3)和自身(4)。尽管有四个消息可进入的方向，但只包含了两个队列。此外，两个操作者都无法释放对方的队列。相反，每个操作者释放自身的队列，作为其关闭程序的一部分。

项目层次结构

在本模板的基础上创建项目后，LabVIEW将显示下列层次结构：

• Project Documentation－包含关于模板的相关文档。用户开发和分布项目时，National Instruments建议对该文档进行相应的更新。
• 项目_名称启动器库－关于启动顶层应用程序的文件。
  • 本地化－将所有用户面对的字符串集中到一个VI，有助于字符串的翻译。
  • 初始屏幕－执行“加载应用程序”VI时显示初始屏幕。
• 项目_名称库－包含应用程序操作者及其能够接收的消息。
  • 项目_名称的消息－包含应用程序操作者能够接收的消息。
    • 记录事件消息类－定义一个消息，该消息命令应用程序操作者用字符串更新其事件记录。
      • 发送记录事件－发送“记录事件”消息至应用程序操作者，附带一个字符串作为数据。Alpha和Beta操作者均发送该消息至应用程序操作者；因此，该VI从Alpha和Beta操作者的“任务”方法中调用。
      • 执行－使用“发送记录事件”VI携带的数据，命令应用程序操作者调用其Log Event.vi方法。
  • 项目_名称类－“应用程序”操作者。
    • 本地化－将所有用户面对的字符串集中到一个VI，有助于字符串的翻译。
    • 操作者核心－操作者的核心VI，执行下列任务：
      • 启动Alpha和Beta操作者。
      • 允许这些操作者访问队列，发送消息至应用程序操作者。
      • 显示UI。
      • 等待前面板事件。
      • 通过发送消息至Alpha和Beta操作者，响应这些事件。
    • 读取配置文件－从配置文件中读取整数。
    • 停止核心－发送“停止”消息至Alpha和Beta操作者。
    • 记录事件－滚动项目_名称类中“操作者核心”前面板上的事件记录文本框。
    • 加载应用程序－启动项目_名称操作者，从而启动应用程序本身，并将正在加载的状态发布至“初始屏幕”VI。
• Alpha操作者库－包含Alpha操作者及其能够接收的消息。
  • Alpha的消息－包含Alpha操作者能够接收的消息。
    • Alpha任务消息类－定义一个命令Alpha操作者执行其Task.vi方法的消息。
      • 发送Alpha任务－发送“任务”消息至Alpha操作者，同时附带发送一些数据。该VI从项目_名称类的“操作者核心”方法中调用。
      • 执行－使用“发送Alpha任务”VI携带的数据，命令Alpha操作者运行其“任务”方法。
      • 写入数据－将整数捆绑至Alpha操作者从其“操作者核心”方法发送的“任务”消息。
  • Alpha类－Alpha操作者。
    • 本地化－将所有用户面对的字符串集中到一个VI，有助于字符串的翻译。
    • 操作者核心－命令Alpha操作者每n毫秒执行其Task.vi方法，数据为-1。接收“任务”消息命令Alpha执行其“任务”方法，但数据不是-1。
    • 停止核心－阻止传递定时消息（在“操作者核心”方法中定义）。
    • 任务－发送一个“记录事件”消息至应用程序操作者，附带一个整数。
• Beta操作者库－包含Beta操作者及其能够接收的消息。这些文件的结构和功能类似于Alpha Actor.lvlib中文件的功能，但有两个例外：
  • Beta类与Alpha类的的“操作者核心”方法运行方式各不相同。
  • “Beta任务消息”类中不包含“写入数据”方法。

修改本模板

确定需求

操作者是一个LabVIEW类。和其他LabVIEW类一样，创建之前必须明白操作者的含义及其作用。

为了明确待创建的操作者的类型及其功能，需考虑应用程序中独立运行的任务以及每个任务能够执行的动作。例如，假设一个从模拟设备中进行连续测量的任务。该任务需明确如何连接至硬件、连续采集测量结果、将安全值写入硬件以及从硬件断开。此任务的操作者可能对于每个动作都有一个方法。为每个确定的任务创建一个操作者。

明确操作者需执行的动作后，还需确定操作者运行时哪些动作连续发生，哪些动作仅在从另一个操作者收到消息后发生。连续发生的动作应添加在操作者的“操作者核心”方法中。响应消息而发生的动作应表示为操作者类的一个方法。使用该信息定义操作者行为。然后，创建消息，命令操作者调用每个方法。

定义操作者行为

操作者框架提供两种定义操作者行为的方法。必须首先确定下列何种方法比较合适：

• 对于响应消息而发生的行为，应首先创建操作者方法，然后创建触发方法的消息。
  
  例如，从硬件设备中采集单次测量结果就是一种响应消息而发生的行为。该动作的开头和结尾明显有别，且不需要连续执行。该动作的持续时间比操作者自身的持续时间短。
• 对于操作者运行时应连续发生的动作，需要重写“操作者核心”方法。
  
  例如，监控用户界面并对事件作出响应就是一种应该连续发生的动作。该动作在操作者运行的整个过程中都需要发生；即与操作者自身的持续时间相等。

创建操作者方法

1. 在类中创建一个成员VI。注意祖先操作者类的一些方法是专门设计用于被重写的。
2. 创建消息以命令操作者调用该方法。
3. 确保应用程序的另一部分发送消息至操作者。

定义操作者的连续行为

操作者类的“操作者核心”方法包含对发送至操作者的消息进行处理和响应的代码。每个操作者都继承了这种行为。操作者处理消息时，可连续执行其他动作。如需定义操作者的连续行为，可在子孙类中重写“操作者核心”方法。

下面的截图显示了本模板中重写“操作者核心”方法的三个操作者：

创建操作者

1. 创建一个LabVIEW类并将其设置为从Actor Framework.lvlib:Actor.lvclass继承。
2. 定义操作者的行为。
3. 创建操作者可接收的消息。
4. 确保应用程序的另一部分启动操作者。
5. 确保应用程序的其他部分发送消息至操作者。
6. 创建停止操作者的代码。

停止操作者

如需停止操作者，可通过使用一个下列VI，发送停止消息至操作者：

• 发送标准停止
• 发送紧急停止
• 发送标准或紧急停止

这些方法可以在函数选板中找到。关于停止操作者范例的详细信息，见项目_名称类的“停止核心”方法。

启动操作者

通过使用函数选板上的“启动操作者”方法可启动一个操作者。关于启动顶层操作者范例的详细信息，见“加载应用程序”VI中的下列代码：

关于启动嵌套操作者范例的详细信息，见项目_名称类中“操作者核心”的下列代码：

创建消息

消息是LabVIEW类，可命令操作者调用一个方法。按照下列步骤，为操作者创建一个消息：

1. 确保已打开包含操作者的一个LabVIEW项目。
2. 启动操作者框架消息制作器对话框：
   
   
3. 选择要创建消息的方法。例如：
   
   
4. 单击生成选中项。单击该按钮后，LabVIEW将创建方法消息.lvclass，并将其插入项目浏览器窗口。其中，方法就是用户之前选择的方法。例如：
   
   
   
   LabVIEW同时也打开类的成员VI，其中：
   • 方法消息.lvclass：方法消息.ctl是消息可访问的私有数据。
   • 方法消息.lvclass:发送方法.vi是用来发送消息至操作者的VI。
   • 方法消息.lvclass:Do.vi定义了操作者收到该消息时的动作。默认情况下，Do.vi命令操作者调用方法.vi。
5. 用户可根据应用程序的实际需求定制这些VI。
6. 发送消息。

发送消息

如需发送消息，可使用方法消息.lvclass:发送方法.vi。其中，方法是希望接受方操作者执行的方法。创建消息时已创建“发送方法.vi”。

注  关于发送停止或紧急停止消息的详细信息，见停止操作者。

本模板中关于发送消息的范例，见下列VI：

• Beta类的“操作者核心”方法－发送“记录事件”消息至应用程序操作者。
• Beta类的“任务”方法－发送“记录事件”消息至应用程序操作者。
• Alpha类的“任务”方法－发送“记录事件”消息至应用程序操作者。
• 项目_名称类的“操作者核心”方法－
  • 发送“Alpha任务”消息至Alpha操作者。
  • 发送“Beta任务”消息至Beta操作者。

修改应用程序操作者发送消息至Alpha操作者时发生的事件

项目_名称类的“操作者核心”方法中，事件结构的至Alpha的消息事件分支定义了应用程序操作者发送消息至Alpha操作者时发生的事件。按照应用程序的实际需求，对该事件结构进行修改。

修改应用程序操作者发送消息至Beta操作者时发生的事件

项目_名称类的“操作者核心”方法中，事件结构的至Beta的消息事件分支定义了应用程序操作者发送消息至Beta操作者时发生的事件。按照应用程序的实际需求，对该事件结构进行修改。

修改应用程序操作者停止时发生的事件

下列位置定义了应用程序操作者的停止行为：

• 项目_名称.类的“操作者核心”方法中，事件结构的"Stop": 值改变; 前面板关闭事件分支－该事件分支将应用程序操作者的“停止”消息发送至自身：
  
  
  
  应用程序操作者收到该消息后，“停止消息”类的“执行”VI将生成错误代码43，表示操作者停止时无错误，且将执行项目_名称类的“停止核心”方法。操作者类的“操作者核心”方法中定义了该行为。
• 同一事件结构中的应用程序实例关闭事件分支－无论应用程序如何关闭，该分支中的代码都会运行直到彻底完成。可在该分支中根据需要添加清理代码，如在本例中是将硬件重置为安全状态。
• 项目_名称类的“停止核心”方法－默认情况下，该方法向Alpha和Beta操作者发送“停止”消息。
  
  如在Alpha和Beta同一层次结构上创建嵌套操作者，需修改该VI，通知这些嵌套操作者也同时停止。这些操作者包含自身的停止行为，可进行修改。

修改Alpha和Beta停止时发生的事件

类的“停止核心”方法中定义了这些操作者的停止行为。默认情况下，这些方法关闭在操作者的“操作者核心”方法中启动的并行任务。按照应用程序的实际需求，修改这些方法中的代码。

如需修改本模板使Alpha或Beta启动任何嵌套操作者，确保操作者的“停止核心”方法发送正确的“停止”或“紧急停止”消息至嵌套操作者。

修改用户界面

通常操作者的用户界面在其“操作者核心”方法中定义。本模板中，只有应用程序操作者在其“操作者核心”方法中定义用户界面。该VI的前面板为应用程序的用户界面。按照应用程序的实际需求，对该用户界面进行修改。

涉及的LabVIEW功能和概念

• 操作者框架消息制作器对话框
• 操作者框架VI
• 条件结构
• 簇
• 控件引用句柄
• 枚举型
• 错误簇
• 事件结构
• LabVIEW面向对象编程
• 通知器
• 并行
• 队列
• 移位寄存器
• 状态机
• 自定义类型
• 值改变事件
• 用户事件
• While循环

延伸阅读

• 操作者框架社区论坛
• 调用规范
• 大型LabVIEW应用程序开发社区论坛
• LabVIEW操作者框架下的测量抽象和模型视图控制器(MVC)项目

NI培训和认证

• LabVIEW高级架构
• LabVIEW核心教程（三）
• LabVIEW面向对象设计和编程

重要信息

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