【正文】 共享存儲(chǔ)來(lái)共享數(shù)據(jù) 多核結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì) Southeast University 東 南 大 學(xué) 26 線程的設(shè)計(jì) ? 使用線程的難點(diǎn) ?數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng) ?死鎖 ?代碼復(fù)雜性 ?可移植性問(wèn)題 ?測(cè)試和調(diào)試的難度 多核結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì) Southeast University 東 南 大 學(xué) 27 進(jìn)程、線程和并行程序設(shè)計(jì) ? 內(nèi)容 ?進(jìn)程的概念 ?什么是線程 ?線程的設(shè)計(jì) ?互斥與同步 ?并行程序設(shè)計(jì)的常見(jiàn)問(wèn)題 多核結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì) Southeast University 東 南 大 學(xué) 28 互斥與同步 ? 競(jìng)爭(zhēng)條件 ? 為了使用共享資源，線程彼此競(jìng)爭(zhēng) ? 雖設(shè)定了執(zhí)行順序，但是不能保證就按照這個(gè)順序執(zhí)行，而結(jié)果卻由執(zhí)行的順序決定 ? 是并發(fā)程序中最常見(jiàn)的錯(cuò)誤（與時(shí)間有關(guān)的錯(cuò)誤） . ? 數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng) ? 指存儲(chǔ)器訪問(wèn)沖突的情況 ? 多個(gè)線程并發(fā)訪問(wèn)同一個(gè)存儲(chǔ)單元時(shí)，至少有一個(gè)線程要改變那個(gè)單元的值，就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng) ? 引發(fā)兩種可能的沖突 : ? 讀 /寫(xiě)沖突 ? 寫(xiě) /寫(xiě)沖突 多核結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì) Southeast University 東 南 大 學(xué) 29 互斥與同步 ? 數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng) 線程 1 線程 2 t=x x=t+1 u=x x=u+2 如果一開(kāi)始 x=0，那么結(jié)束的時(shí)候 x=? 線程 1 線程 2 x+=1 x+=2 a[i]+=1 a[j]+=1 *p+=1 *q+=1 Foo(1) Foo(2) add [edi],1 add [edi],2 注意 : x+=1 編譯成 t=x。 ?線程化是為了改善周轉(zhuǎn)周期和吞吐量 ?比如： ? 搜索太空實(shí)驗(yàn)室碎片 ? 把全部搜索區(qū)域分成多個(gè)分段，并安排一個(gè)工人去搜索一個(gè)分段 多核結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì) Southeast University 東 南 大 學(xué) 22 線程的設(shè)計(jì) ? 為縮短周轉(zhuǎn)周期而線程化 ?用可能的最小的時(shí)間完成一個(gè)任務(wù) ?舉例：安排一個(gè)飯桌時(shí)候的不同任務(wù)： ?一個(gè)侍者擺放盤子。 ?阻塞（ blocked）：線程正在等待某個(gè)事件的發(fā)生（比如 I/O的完成，試圖加鎖一個(gè)被上鎖的互斥量）。 CODE DATA FILE REG STACK thread CODE DATA FILE REG STACK REG STACK REG STACK thread 多核結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì) Southeast University 東 南 大 學(xué) 9 什么是線程 ? 使用線程優(yōu)于進(jìn)程的地方 ?創(chuàng)建一個(gè)線程比創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程的代價(jià)要小 ?線程的切換比進(jìn)程間的切換代價(jià)小 ?多線程可以充分利用多處理器 ?數(shù)據(jù)共享 ?數(shù)據(jù)共享使得線程之間的通信比進(jìn)程間的通信更高效 ?快速響應(yīng)特性 ?在系統(tǒng)繁忙的情況下，進(jìn)程通過(guò)獨(dú)立的線程及時(shí)響應(yīng)用戶的輸入 多核結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì) Southeast University 東 南 大 學(xué) 10 什么是線程 ? 線程級(jí)別 ?用戶級(jí)線程 ?有關(guān)線程的所有管理工作都由在用戶級(jí)實(shí)現(xiàn)的線程庫(kù)來(lái)支持 ?因操作系統(tǒng)調(diào)度進(jìn)程而被同時(shí)調(diào)度 ?由線程 API來(lái)創(chuàng)建和管理，無(wú)需內(nèi)核參與，操作更快 ? OpenMP, Pthreads, Windows thread API ?進(jìn)程中的所有線程將共享相同的時(shí)間片 ?當(dāng)一個(gè)線程被掛起，同一進(jìn)程中的其他線程也會(huì)被掛起，因此并行性不高 多核結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì) Southeast University 東 南 大 學(xué) 11 什么是線程 ? 線程的級(jí)別 ?內(nèi)核級(jí)線程 ?內(nèi)核級(jí)線程由操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)度與管理 ?并行度高 ? 當(dāng)一個(gè)線程被掛起，同一進(jìn)程的其他線程依然可以運(yùn)行。 多核結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì) Southeast University 東 南 大 學(xué) 6 進(jìn)程、線程和并行程序設(shè)計(jì) ? 內(nèi)容 ?進(jìn)程的概念 ?什么是線程 ?線程的設(shè)計(jì) ?互斥與同步 ?并行程序設(shè)計(jì)的常見(jiàn)問(wèn)題 多核結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì) Southeast University 東 南 大 學(xué) 7 什么是線程 ? 進(jìn)程 (process)與線程 (thread) ?進(jìn)程不適合細(xì)粒度的共享存儲(chǔ)并行程序設(shè)計(jì) ?一個(gè)進(jìn)程有一個(gè)主線程來(lái)初始化進(jìn)程和開(kāi)始執(zhí)行指令。 ?多對(duì)多模型 ?將 m個(gè)用戶級(jí)線程影射到 n個(gè)內(nèi)核級(jí)線程， m≥n ?用戶可以創(chuàng)建所需要的用戶級(jí)線程，通過(guò)分配適當(dāng)數(shù)目的內(nèi)核級(jí)線程獲得并發(fā)執(zhí)行的優(yōu)勢(shì)并節(jié)省系統(tǒng)資源。 多核結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì) Southeast University 東 南 大 學(xué) 20 線程的設(shè)計(jì) ? 為功能而線程化 ?舉例 : ?為了簡(jiǎn)化代碼，為下列部分設(shè)計(jì)不同的線程 ? 輸入、圖形用戶界面、計(jì)算和輸出。 多核結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì) Southeast University 東 南 大 學(xué) 24 線程的設(shè)計(jì) ? 任務(wù)分解（客戶 /服務(wù)器編程模式） ? 數(shù)據(jù)分解（工作組編程模式） ? 數(shù)據(jù)流分解（流水線編程模式） 分解 設(shè)計(jì) 評(píng)論 任務(wù)分解 不同的工作安排不同的線程 常見(jiàn)于有幾個(gè)獨(dú)立的功能的應(yīng)用 數(shù)據(jù)分解 多個(gè)線程針對(duì)數(shù)據(jù)的不同部分執(zhí)行相同的操作 常見(jiàn)于音頻處理、圖像處理和科學(xué)計(jì)算程序中 數(shù)據(jù)流分解 一個(gè)線程的輸出是第二個(gè)線程的輸入 特別注意需要消除啟動(dòng)和關(guān)閉延遲的情況 多核結(jié)構(gòu)與程序設(shè)計(jì) Southeast University 東 南 大 學(xué) 25 線程的設(shè)計(jì) ? 線程化的好處 : ?提高性能 ?能夠使用多核處理器 ?線程共享數(shù)據(jù)會(huì)比較快，因?yàn)樗麄児蚕硐嗤刂?