多核编程基础与实战指南

需积分: 10 1 下载量 58 浏览量 更新于2024-07-22 收藏 1.82MB PDF 举报
"多核编程入门" 本文是针对多核编程初学者的综合指南,旨在分享作者在使用多核技术过程中的学习与实践经验。主要内容涵盖了并发与并行的区别、多核体系架构、内存模型、并发级别、锁机制、无锁编程以及并发数据结构和开源库的介绍,并结合了一些实际的工程应用案例。 一、并发与并行的区别 1.1 串行:程序按顺序执行,同一时刻只有一个任务在执行。 1.2 并发:多个任务在一段时间内交替执行,给人一种同时进行的错觉。 1.3 并行:多个任务真正地在同一时刻并行执行,充分利用多核资源。 1.4 多核编程的难点:包括内存模型的复杂性、同步与通信问题、性能优化等。 二、多核体系架构 2.1 多核处理器定义:集成两个或更多独立处理单元的单个芯片。 2.2 多核发展趋势:随着技术进步,多核处理器已成为主流,核心数量持续增加。 2.3 示例:通过一个多核处理器架构的例子解释了如何分配任务到不同核心。 2.4 LINUX线程核绑定:通过核亲和性绑定和资源控制cgroup实现线程与特定核心的关联。 三、内存模型 3.1 操作原子性:保证操作不可分割,避免数据竞争。 3.1.1 保证机制:包括锁、CAS(Compare-and-Swap)和硬件支持的原子操作。 3.1.2 硬件原子操作:如x86架构的lock指令。 3.1.3 总线锁:通过总线锁定机制确保原子操作。 3.2 缓存一致性:解决多核系统中各核缓存数据同步的问题。 3.2.1 定义:所有核对共享数据保持一致的视图。 3.2.2 CC协议:如MESI协议确保一致性。 3.2.3 伪共享:当多个线程访问同一缓存行的不同部分时产生的问题。 3.3 顺序一致性:强一致性模型,所有线程看到的操作顺序相同。 3.3.1 定义:保证并发操作的可见性和有序性。 3.3.2 约束:包括TSO(Total Store Order)、PSO(Processor Store Order)等。 3.3.3 内存屏障:用于禁止特定类型的指令重排序。 四、并发级别 4.1 WAIT-FREEDOM:无需等待其他线程完成即可继续执行的并发。 4.2 LOCK-FREEDOM:避免锁的并发。 4.3 OBSTRUCTION-FREEDOM:无阻塞的并发,即不会因其他线程阻塞而停止。 4.4 BLOCKINGALGORITHMS:使用阻塞原语的并发,如互斥锁。 五、锁 5.1 信号量:一种同步原语,用于控制对共享资源的访问。 5.2 自旋锁:线程在获得锁前一直循环检查,不释放CPU。 5.3 读写锁:允许多个读取者同时访问,但写入时独占。 5.4 顺序锁:用于确保操作顺序的锁。 5.5 RCU(Read-Copy-Update):延迟更新技术,读操作无锁,写操作时只影响副本。 六、无锁编程 6.1 定义:通过原子操作实现数据结构的更新,避免锁的使用。 七、并发数据结构与开源库 7.1 开源库:如Java的ConcurrentHashMap,C++的tbb等。 7.2 测试对比:无锁哈希表与基于锁的哈希表性能比较。 八、多核工程实践 8.1 网络设备:如Intel DPDK加速网络处理。 8.2 网络游戏:利用多核提高服务器性能。 8.3 手机开发:多核优化提升移动应用体验。 九、参考文献 提供进一步阅读和深入研究的资料列表。 这篇多核编程入门指南详细介绍了多核编程的基础知识,对于想要踏入这个领域的开发者来说,是一份非常有价值的参考资料。