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分享多核编程的几个难题及其应对策略
随着多核 CPU的出世，多核编程方面的问题将摆上了程序员的日程，有许多老的程序员以为早就有多CPU的机器，业界在多CPU机器上的编程已经积累了很多经验，多核CPU上的编程应该差不多，只要借鉴以前的多任务编程、并行编程和并行算法方面的经验就足够了。 wUH:l
e?<$H\
我想说的是，多核机器和以前的多CPU机器有很大的不同，以前的多CPU机器都是用在特定领域，比如服务器，或者一些可以进行大型并行计算的领域，这些领域很容易发挥出多CPU的优势，而现在多核机器则是应用到普通用户的各个层面，特别是客户端机器要使用多核CPU，而很多客户端软件要想发挥出多核的并行优势恐怕没有服务器和可以进行大型并行计算的特定领域简单。
串行化方面的难题
1）加速系数
衡量多处理器系统的性能时，通常要用到的一个指标叫做加速系数，定义如下：S(p) = 使用单处理器执行时间（最好的顺序算法）/ 使用具有p个处理器所需执行时间
2）阿姆尔达定律
并行处理时有一个阿姆尔达定律，用方程式表示如下：
Nh+Xlg XG
其中 S(p)表示加速系数
p表示处理
器的个数 NQ,2pM<*-
> 7 qZ\#
f表示串行部分所占整个程序执行时间的比例 A&:~dZ:%w
Hf9F:yH
当f = 5%, p = 20时, S(p) = 10.256左右 K<fB]44Y
jWh}cM=
当f = 5%, p = 100时, S(p) = 16.8左右 !
也就是说只要有5%的串行部分，当处理器个数从20个增加到100个时，加速系数只能从10.256增加到16.8左右，处理器个数增加了5倍，速度只增加了60%多一点。即使处理器个数增加到无穷多个，加速系数的极限值也只有20。
R9InUX"k
如果按照阿姆尔达定律的话，可以说多核方面几乎没有任何发展前景，即使软件中只有1%的不可并行化部分，那么最大加速系统也只能到达100，再多的CPU也无法提升速度性能。按照这个定律，可以说多核CPU的发展让摩尔定律延续不了多少年就会到达极限。
3）Gustafson定律
Gustafson提出了和阿姆尔达定律不同的假设来证明加速系数是可以超越阿姆尔达定律的限制的，Gustafson认为软件中的串行部分是固定的，不会随规模的增大而增大，并假设并行处理部分的执行时间是固定的（服务器软件可能就是这样）。Gustafson定律用公式描述如下： >:f&@vwm
nmMg
S(p) = p + (1-p)*fts .
e%JH q
其中fts表示串行执行所占的比例 I=K|1
p/'09FY+U
如果串行比例为5%，处理器个数为20个，那么加速系数为20＋(1-20)*5%=19.05
如果串行比例为5%，处理器个数为100个，那么加速系数为100＋(1-100)*5%=95.05 zAO|{m<A2
YH'j"|{
Gustafson定律中的加速系数几乎跟处理器个数成正比，如果现实情况符合Gustafson定律的假设前提的话，那么软件的性能将可以随着处理个数的增加而增加。 )jed@?
v?`DP
4）实际情况中的串行化分析 =x} p>#o,J
= K3NKPUI
阿姆尔达定律和Gustafson定律的计算结果差距如此之大，那么现实情况到底是符合那一个定律呢？我个人认为现实情况中既不会象阿姆尔达定律那么悲观，但也不会象Gustafson定律那么乐观。为什么这样说呢？还是进行一下简单的分析吧。 K)9+3(? fkJElO-F
首先需要确定软件中到底有那么内容不能并行化，才能估计出串行部分所占的比例，20世纪60年代时，Bernstein就给出了不能进行并行计算的三个条件： }g_\?z3gt
SX @zDuM
条件1：C1写某一存储单元后，C2读该单元的数据。称为“写后读”竞争 #w&N) c>
6'qu[ ~ }Q
条件2：C1读某一存储单元数据后，C2写该单元。称为“读后写”竞争 ]j57Gk%z
Kzrt%DA
条件1：C1写某一存储单元后，C2写该单元。称为“写后写”竞争 zE1=*zO`
|7%#z~rT
满足以上三个条件中的任何一个都不能进行并行执行。不幸的是在实际的软件中大量存在满足上述情况的现象，也就是我们常说的共享数据要加锁保护的问题。 X^9eCj;c
~dlpoT
加锁保护导致的串行化问题如果在任务数量固定的前提下，串行化所占的比例是随软件规模的增大而减小的，但不幸的是它会随任务数量的增加而增加，也就是说处理器个数越多，锁竞争导致的串行化将越严重，从而使得串行化所占的比例随处理器个数的增加而急剧增加。（关于锁竞争导致的串行化加剧情况我会在另一篇文章中讲解）。所以串行化问题是多核编程面临的一大难题。 B):hm
*g!7PzJ'
5）可能的解决措施 g ~]?6;uu
'O[0oi&
对于串行化方面的难题，首先想到的解决措施就是少用锁，甚至采用无锁编程，不过这对普通程序员来说几乎是难以完成的工作，因为无锁编程方面的算法太过于复杂，而且使用不当很容易出错，许多已经发表到专业期刊上的无锁算法后来又被证明是错的，可以想象得到这里面的难度有多大。 }-H)jN^
j6DI$tV~
第二个解决方案就是使用原子操作来替代锁，使用原子操作本质上并没有解决串行化问题，只不过是让串行化的速度大大提升，从而使得串行化所占执行时间比例大大下降。不过目前芯片厂商提供的原子操作很有限，只能在少数地方起作用，芯片厂商在这方面可能还需要继续努力，提供更多功能稍微强大一些的原子操作来避免更多的地方的锁的使用。 OS sYmF
YG J)_y
第三个解决方案是从设计和算法层面来缩小串行化所占的比例。也许需要发现实用的并行方面的设计模式来缩减锁的使用，目前业界在这方面已经积累了一定的经验，如任务分解模式，数据分解模式，数据共享模式，相信随着多核CPU的大规模使用将来会有更多的新的有效的并行设计模式和算法冒出来。 .T\_4C
*:V+whBY
第四个解决方案是从芯片设计方面来考虑的，由于我对芯片设计方面一无所知，所以这个解决方案也许只是我的一厢情愿的猜想。主要的想法是在芯片层面设计一些新的指令，这些指令不象以前单核CPU指令那样是由单个CPU完成的，而是由多个CPU进行并行处理完成的一些并行指令，这样程序员调用这些并行处理指令编程就象编写串行化程序一样，但又充分利用上了多个CPU的优势。 YuFR*W;$
6 U_P
负载平衡问题 3o BR
\h5!u1{L
多核编程中的锁竞争难题 这篇文章中讲过一个多核编程中的串行化的难题，这篇文章中再来讲解一下多核编程中的另外一个难题，就是负载平衡方面的难题。 d;.H 9Ne
r1/9BTPKdJ
cG,zO-H
多核CPU中，要很好地发挥出多个CPU的性能的话，必须保证分配到各个CPU上的任务有一个很好的负载平衡。否则一些CPU在运行，另外一些CPU处于空闲，无法发挥出多核CPU的优势来。 OxqkpK&
{BzE
e?<$H\
我想说的是，多核机器和以前的多CPU机器有很大的不同，以前的多CPU机器都是用在特定领域，比如服务器，或者一些可以进行大型并行计算的领域，这些领域很容易发挥出多CPU的优势，而现在多核机器则是应用到普通用户的各个层面，特别是客户端机器要使用多核CPU，而很多客户端软件要想发挥出多核的并行优势恐怕没有服务器和可以进行大型并行计算的特定领域简单。
串行化方面的难题
1）加速系数
衡量多处理器系统的性能时，通常要用到的一个指标叫做加速系数，定义如下：S(p) = 使用单处理器执行时间（最好的顺序算法）/ 使用具有p个处理器所需执行时间
2）阿姆尔达定律
并行处理时有一个阿姆尔达定律，用方程式表示如下：
Nh+Xlg XG
其中 S(p)表示加速系数
p表示处理
器的个数 NQ,2pM<*-
> 7 qZ\#
f表示串行部分所占整个程序执行时间的比例 A&:~dZ:%w
Hf9F:yH
当f = 5%, p = 20时, S(p) = 10.256左右 K<fB]44Y
jWh}cM=
当f = 5%, p = 100时, S(p) = 16.8左右 !
也就是说只要有5%的串行部分，当处理器个数从20个增加到100个时，加速系数只能从10.256增加到16.8左右，处理器个数增加了5倍，速度只增加了60%多一点。即使处理器个数增加到无穷多个，加速系数的极限值也只有20。
R9InUX"k
如果按照阿姆尔达定律的话，可以说多核方面几乎没有任何发展前景，即使软件中只有1%的不可并行化部分，那么最大加速系统也只能到达100，再多的CPU也无法提升速度性能。按照这个定律，可以说多核CPU的发展让摩尔定律延续不了多少年就会到达极限。
3）Gustafson定律
Gustafson提出了和阿姆尔达定律不同的假设来证明加速系数是可以超越阿姆尔达定律的限制的，Gustafson认为软件中的串行部分是固定的，不会随规模的增大而增大，并假设并行处理部分的执行时间是固定的（服务器软件可能就是这样）。Gustafson定律用公式描述如下： >:f&@vwm
nmMg
S(p) = p + (1-p)*fts .
e%JH q
其中fts表示串行执行所占的比例 I=K|1
p/'09FY+U
如果串行比例为5%，处理器个数为20个，那么加速系数为20＋(1-20)*5%=19.05
如果串行比例为5%，处理器个数为100个，那么加速系数为100＋(1-100)*5%=95.05 zAO|{m<A2
YH'j"|{
Gustafson定律中的加速系数几乎跟处理器个数成正比，如果现实情况符合Gustafson定律的假设前提的话，那么软件的性能将可以随着处理个数的增加而增加。 )jed@?
v?`DP
4）实际情况中的串行化分析 =x} p>#o,J
= K3NKPUI
阿姆尔达定律和Gustafson定律的计算结果差距如此之大，那么现实情况到底是符合那一个定律呢？我个人认为现实情况中既不会象阿姆尔达定律那么悲观，但也不会象Gustafson定律那么乐观。为什么这样说呢？还是进行一下简单的分析吧。 K)9+3(? fkJElO-F
首先需要确定软件中到底有那么内容不能并行化，才能估计出串行部分所占的比例，20世纪60年代时，Bernstein就给出了不能进行并行计算的三个条件： }g_\?z3gt
SX @zDuM
条件1：C1写某一存储单元后，C2读该单元的数据。称为“写后读”竞争 #w&N) c>
6'qu[ ~ }Q
条件2：C1读某一存储单元数据后，C2写该单元。称为“读后写”竞争 ]j57Gk%z
Kzrt%DA
条件1：C1写某一存储单元后，C2写该单元。称为“写后写”竞争 zE1=*zO`
|7%#z~rT
满足以上三个条件中的任何一个都不能进行并行执行。不幸的是在实际的软件中大量存在满足上述情况的现象，也就是我们常说的共享数据要加锁保护的问题。 X^9eCj;c
~dlpoT
加锁保护导致的串行化问题如果在任务数量固定的前提下，串行化所占的比例是随软件规模的增大而减小的，但不幸的是它会随任务数量的增加而增加，也就是说处理器个数越多，锁竞争导致的串行化将越严重，从而使得串行化所占的比例随处理器个数的增加而急剧增加。（关于锁竞争导致的串行化加剧情况我会在另一篇文章中讲解）。所以串行化问题是多核编程面临的一大难题。 B):hm
*g!7PzJ'
5）可能的解决措施 g ~]?6;uu
'O[0oi&
对于串行化方面的难题，首先想到的解决措施就是少用锁，甚至采用无锁编程，不过这对普通程序员来说几乎是难以完成的工作，因为无锁编程方面的算法太过于复杂，而且使用不当很容易出错，许多已经发表到专业期刊上的无锁算法后来又被证明是错的，可以想象得到这里面的难度有多大。 }-H)jN^
j6DI$tV~
第二个解决方案就是使用原子操作来替代锁，使用原子操作本质上并没有解决串行化问题，只不过是让串行化的速度大大提升，从而使得串行化所占执行时间比例大大下降。不过目前芯片厂商提供的原子操作很有限，只能在少数地方起作用，芯片厂商在这方面可能还需要继续努力，提供更多功能稍微强大一些的原子操作来避免更多的地方的锁的使用。 OS sYmF
YG J)_y
第三个解决方案是从设计和算法层面来缩小串行化所占的比例。也许需要发现实用的并行方面的设计模式来缩减锁的使用，目前业界在这方面已经积累了一定的经验，如任务分解模式，数据分解模式，数据共享模式，相信随着多核CPU的大规模使用将来会有更多的新的有效的并行设计模式和算法冒出来。 .T\_4C
*:V+whBY
第四个解决方案是从芯片设计方面来考虑的，由于我对芯片设计方面一无所知，所以这个解决方案也许只是我的一厢情愿的猜想。主要的想法是在芯片层面设计一些新的指令，这些指令不象以前单核CPU指令那样是由单个CPU完成的，而是由多个CPU进行并行处理完成的一些并行指令，这样程序员调用这些并行处理指令编程就象编写串行化程序一样，但又充分利用上了多个CPU的优势。 YuFR*W;$
6 U_P
负载平衡问题 3o BR
\h5!u1{L
多核编程中的锁竞争难题 这篇文章中讲过一个多核编程中的串行化的难题，这篇文章中再来讲解一下多核编程中的另外一个难题，就是负载平衡方面的难题。 d;.H 9Ne
r1/9BTPKdJ
cG,zO-H
多核CPU中，要很好地发挥出多个CPU的性能的话，必须保证分配到各个CPU上的任务有一个很好的负载平衡。否则一些CPU在运行，另外一些CPU处于空闲，无法发挥出多核CPU的优势来。 OxqkpK&
{BzE
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kellyxinee 2007-09-14
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多核CPU中，要很好地发挥出多个CPU的性能的话，必须保证分配到各个CPU上的任务有一个很好的负载平衡。否则一些CPU在运行，另外一些CPU处于空闲，无法发挥出多核CPU的优势来。？？？？？
这个太难达到了， 要知道程序在每台机器的运行状况不一样啊？
这个太难达到了， 要知道程序在每台机器的运行状况不一样啊？
ozar1155 2007-09-13
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要实现一个好的负载平衡通常有两种方案，一种是静态负载平衡，另外一种是动态负载平衡。 q![`3m-d.
.I.B,wH 8
1、静态负载平衡 1P?|.W_^1
9qUkw&}H
静态负载平衡中，需要人工将程序分割成多个可并行执行的部分，并且要保证分割成的各个部分能够均衡地分布到各个CPU上运行，也就是说工作量要在多个任务间进行均匀的分配，使得达到高的加速系数。 n j2=}6
Up5|tx7
静态负载平衡问题从数学上来说是一个NP完全性问题，Richard M. Karp, Jeffrey D. Ullman, Christos H. Papadimitriou, M. Garey, D. Johnson等人相继在1972年到1983年间证明了静态负载问题在几种不同约束条件下的NP完全性。 7 j6<
f +1@mGt
虽然NP完全性问题在数学上是难题，但是这并不是标题中所说的难题，因为NP完全性问题一般都可以找到很有效的近似算法来解决。 9}5o> iR
rn/~W[
2、动态负载平衡 7}vI/?r
nc6PSj X
动态负载平衡是在程序的运行过程中来进行任务的分配达到负载平衡的目的。实际情况中存在许多不能由静态负载平衡解决的问题，比如一个大的循环中，循环的次数是由外部输入的，事先并不知道循环的次数，此时采用静态负载平衡划分策略就很难实现负载平衡。 Da8 |eN}
Cz &3= ),G
动态负载平衡中对任务的调度一般是由系统来实现的，程序员通常只能选择动态平衡的调度策略，不能修改调度策略，由于实际任务中存在很多的不确定因素，调度算法无法做得很优，因此动态负载平衡有时可能达不到既定的负载平衡要求。 "c\WZB`|
XJ5@/BW
3、负载平衡的难题在那里？ )ZI#F]
m'Q G{f
负载平衡的难题并不在于负载平衡的程度要达到多少，因为即使在各个CPU上分配的任务执行时间存在一些差距，但是随着CPU核数的增多总能让总的执行时间下降，从而使加速系数随CPU核数的增加而增加。 "=1gA~T
Lq;T\m_de
负载平衡的困难之处在于程序中的可并行执行块很多要靠程序员来划分，当然CPU核数较少时，比如双核或4核，这种划分并不是很困难。但随着核数的增加，划分的粒度将变得越来越细，到了16核以上时，估计程序员要为如何划分任务而抓狂。比如一段顺序执行的代码，放到128核的CPU上运行，要手工划分成128个任务，其划分的难度可想而知。 lrj&60R`w
-+Ot' ^
负载划分的误差会随着CPU核数的增加而放大，比如一个需要16个时间单位的程序分到4个任务上执行，平均每个任务上的负载执行时间为4个时间单位，划分误差为1个时间单位的话，那么加速系数变成 16/(4+1)=3.2，是理想情况下加速系数 4的80％。但是如果放到一个16核CPU上运行的话，如果某个任务的划分误差如果为0.5个时间单位的话，那么加速系数变成16/(1+0.5) = 10.67，只有理想的加速系数16的66.7%，如果核数再增加的话，由于误差的放大，加速系数相比于理想加速系数的比例还会下降。 xy b=7
Np%Q-T\
负载划分的难题还体现在CPU和软件的升级上，比如在4核CPU上的负载划分是均衡的，但到了8核、16核上，负载也许又变得不均衡了。软件升级也一样，当软件增加功能后，负载平衡又会遭到破坏，又需要重新划分负载使其达到平衡，这样一来软件设计的难度和麻烦大大增加了。 DP0@x+`k
:P/VBXh
如果使用了锁的话，一些看起来是均衡的负载也可能会由于锁竞争变得不平衡起来，详细情况请看
http://jingyan.qihoo.com/fr.html?kw=%B6%E0%BA%CB&url=http%3A%2F%2Fwww.agpr.net%2Fbbs%2Fread.php%3Ftid-177227.html&title=%B6%E0%BA%CB%B1%E0%B3%CC%B5%C4%BC%B8%B8%F6%C4%D1%CC%E2%BC%B0%C6%E4%D3%A6%B6%D4%B2%DF%C2%D4+
.I.B,wH 8
1、静态负载平衡 1P?|.W_^1
9qUkw&}H
静态负载平衡中，需要人工将程序分割成多个可并行执行的部分，并且要保证分割成的各个部分能够均衡地分布到各个CPU上运行，也就是说工作量要在多个任务间进行均匀的分配，使得达到高的加速系数。 n j2=}6
Up5|tx7
静态负载平衡问题从数学上来说是一个NP完全性问题，Richard M. Karp, Jeffrey D. Ullman, Christos H. Papadimitriou, M. Garey, D. Johnson等人相继在1972年到1983年间证明了静态负载问题在几种不同约束条件下的NP完全性。 7 j6<
f +1@mGt
虽然NP完全性问题在数学上是难题，但是这并不是标题中所说的难题，因为NP完全性问题一般都可以找到很有效的近似算法来解决。 9}5o> iR
rn/~W[
2、动态负载平衡 7}vI/?r
nc6PSj X
动态负载平衡是在程序的运行过程中来进行任务的分配达到负载平衡的目的。实际情况中存在许多不能由静态负载平衡解决的问题，比如一个大的循环中，循环的次数是由外部输入的，事先并不知道循环的次数，此时采用静态负载平衡划分策略就很难实现负载平衡。 Da8 |eN}
Cz &3= ),G
动态负载平衡中对任务的调度一般是由系统来实现的，程序员通常只能选择动态平衡的调度策略，不能修改调度策略，由于实际任务中存在很多的不确定因素，调度算法无法做得很优，因此动态负载平衡有时可能达不到既定的负载平衡要求。 "c\WZB`|
XJ5@/BW
3、负载平衡的难题在那里？ )ZI#F]
m'Q G{f
负载平衡的难题并不在于负载平衡的程度要达到多少，因为即使在各个CPU上分配的任务执行时间存在一些差距，但是随着CPU核数的增多总能让总的执行时间下降，从而使加速系数随CPU核数的增加而增加。 "=1gA~T
Lq;T\m_de
负载平衡的困难之处在于程序中的可并行执行块很多要靠程序员来划分，当然CPU核数较少时，比如双核或4核，这种划分并不是很困难。但随着核数的增加，划分的粒度将变得越来越细，到了16核以上时，估计程序员要为如何划分任务而抓狂。比如一段顺序执行的代码，放到128核的CPU上运行，要手工划分成128个任务，其划分的难度可想而知。 lrj&60R`w
-+Ot' ^
负载划分的误差会随着CPU核数的增加而放大，比如一个需要16个时间单位的程序分到4个任务上执行，平均每个任务上的负载执行时间为4个时间单位，划分误差为1个时间单位的话，那么加速系数变成 16/(4+1)=3.2，是理想情况下加速系数 4的80％。但是如果放到一个16核CPU上运行的话，如果某个任务的划分误差如果为0.5个时间单位的话，那么加速系数变成16/(1+0.5) = 10.67，只有理想的加速系数16的66.7%，如果核数再增加的话，由于误差的放大，加速系数相比于理想加速系数的比例还会下降。 xy b=7
Np%Q-T\
负载划分的难题还体现在CPU和软件的升级上，比如在4核CPU上的负载划分是均衡的，但到了8核、16核上，负载也许又变得不均衡了。软件升级也一样，当软件增加功能后，负载平衡又会遭到破坏，又需要重新划分负载使其达到平衡，这样一来软件设计的难度和麻烦大大增加了。 DP0@x+`k
:P/VBXh
如果使用了锁的话，一些看起来是均衡的负载也可能会由于锁竞争变得不平衡起来，详细情况请看
http://jingyan.qihoo.com/fr.html?kw=%B6%E0%BA%CB&url=http%3A%2F%2Fwww.agpr.net%2Fbbs%2Fread.php%3Ftid-177227.html&title=%B6%E0%BA%CB%B1%E0%B3%CC%B5%C4%BC%B8%B8%F6%C4%D1%CC%E2%BC%B0%C6%E4%D3%A6%B6%D4%B2%DF%C2%D4+
