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　　在摩爾定律失效之前，提升處理器性能通過主頻提升、硬件超線程等技術(shù)就能滿足應(yīng)用需要。隨著主頻提升慢慢接近撞上光速這道墻，摩爾定律開始逐漸失效，多核集成為處理器性能提升的主流手段?，F(xiàn)在市面上已經(jīng)很難看到單核的處理器，就是這一發(fā)展趨勢(shì)的佐證。要充分發(fā)揮多核豐富的計(jì)算資源優(yōu)勢(shì)，多核下的并行編程就不可避免，Linux kernel就是一典型的多核并行編程場(chǎng)景。但多核下的并行編程卻挑戰(zhàn)多多。

　　目前主流的計(jì)算機(jī)都是馮諾依曼架構(gòu)，即共享內(nèi)存的計(jì)算模型，這種過程計(jì)算模型對(duì)并行計(jì)算并不友好。下圖是一種典型的計(jì)算機(jī)硬件體系架構(gòu)。

　　這種架構(gòu)中，有如下設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

　　·多級(jí)cache改善CPU訪問主存的效率;

　　·store buffer模塊改善cache write由于應(yīng)答延遲而造成的寫停頓問題;

　　外設(shè)DMA支持直接訪問主存，改善CPU使用效率;

　　cache一致性問題由cache一致性協(xié)議MESI解決，MESI由硬件保證，對(duì)軟件來說是透明的。MESI協(xié)議保證所有CPU對(duì)單個(gè)cache line中單個(gè)變量修改的順序保持一致，但不保證不同變量的修改在所有CPU上看到的是相同順序。這就造成了亂序。不僅如此，亂序的原因還有很多：

　　·invalidate queue引起的延遲處理，會(huì)造成亂序;

　　·分支預(yù)測(cè)、多流水線等CPU硬件優(yōu)化技術(shù)，會(huì)造成亂序;

　　這種情況造成，就連簡(jiǎn)單的++運(yùn)算操作的原子性都無法保證。這些問題必須采用多核并行編程新的技術(shù)手段來解決。

　　鎖技術(shù)

　　·自旋鎖，不休眠，無進(jìn)程上下文切換開銷，可以用在中斷上下文和臨界區(qū)小的場(chǎng)合;

　　·互斥量，類似與信號(hào)量，但只支持同時(shí)只有一個(gè)并發(fā)體進(jìn)入臨界區(qū);

　　·順序鎖，支持讀并發(fā)，寫寫/讀寫間互斥，寫會(huì)延遲讀，對(duì)寫友好，適用寫側(cè)重場(chǎng)合;

　　·按統(tǒng)一的順序使用鎖(鎖的層次)，解決死鎖問題;

　　·范圍鎖(樹狀鎖)，解決鎖驚群?jiǎn)栴};

　　原子技術(shù)

　　ACCESS_ONECE()：只限制編譯器對(duì)內(nèi)存訪問的優(yōu)化;

　　smb_wmb()：寫內(nèi)存屏障，刷新store buffer，同時(shí)限制編譯器和CPU的亂序優(yōu)化;

　　smb_mb()：讀寫內(nèi)存屏障，同時(shí)刷新store buffer和invalidate queue，同時(shí)限制編譯器和CPU的亂序優(yōu)化;

　　多提一句的是，atomic_inc()原語為了保證原子性，需要對(duì)cache進(jìn)行刷新，而緩存行在多核體系下傳播相當(dāng)耗時(shí)，其多核下的并行可擴(kuò)展性差。

　　上一小節(jié)中所提到的原子技術(shù)，是無鎖技術(shù)中的一種，除此之外，無鎖技術(shù)還包括RCU、Hazard pointer等。值得一提的是，這些無鎖技術(shù)都基于內(nèi)存屏障實(shí)現(xiàn)的。

　　RCU適用的場(chǎng)景很多，其可以替代：讀寫鎖、引用計(jì)數(shù)、垃圾回收器、等待事物結(jié)束等，而且有更好的并行擴(kuò)展性。但RCU也有一些不適用的場(chǎng)景，如寫側(cè)重;臨界區(qū)長(zhǎng);臨界區(qū)內(nèi)休眠等場(chǎng)景。

　　數(shù)據(jù)分割技術(shù)

　　·數(shù)組

　　·基樹(Radix Tree)/稀疏數(shù)組

　　使用這些便于分割的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有利于我們通過數(shù)據(jù)分割來改善并行可擴(kuò)展性。

　　·讀寫分割：以讀為主的數(shù)據(jù)與以寫為主的數(shù)據(jù)分開;

　　·專項(xiàng)分割：把經(jīng)常更新的數(shù)據(jù)綁定到指定的CPU/線程中;

　　4種分割規(guī)則中，所有權(quán)分割是分割最徹底的。

<p white-space:normal;background-color:#ffffff;"="" style="word-wrap: break-word; margin-top: 0px; margin-bottom: 0px; padding: 20px 0px 0px; font-family: 宋體, Arial; white-space: normal; background-color: rgb(255, 255, 255); color: rgb(51, 51, 51); word-break: break-all; line-height: 2;">　　以上這些多核并行編程內(nèi)容基本上涵蓋了Linux kernel中所有的并發(fā)編程關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)然并行編程還有很多其他技術(shù)沒有應(yīng)用到Linux kernel中的，如無副作用的并行函數(shù)式編程技術(shù)(Erlang/Go等)、消息傳遞、MapReduce等等。

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