怎么理解多核編程中的線程分組競爭模式

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在多核編程中，鎖競爭導(dǎo)致的CPU饑餓現(xiàn)象是引起多核CPU性能無法發(fā)揮的最重要原因之一，在多核編程中的鎖競爭難題一文中已經(jīng)講過鎖競爭對性能的影響，如何消解鎖競爭導(dǎo)致的CPU饑餓現(xiàn)象成了迫切需要解決的問題。

目 前業(yè)界發(fā)展的無鎖編程技術(shù)可以有效降低鎖競爭引起的性能下降問題，無鎖編程主要是采用原子操作來替代鎖，只存在原子操作競爭問題，由于原子操作只是一條指 令，速度非常快，因此可以近似地看成是無鎖競爭的，除非原子操作非常頻繁。無鎖編程難度非常高，從目前的情況來看，普通程序員要親自進行無鎖編程是不現(xiàn)實 的事情。并且目前只有少數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)無鎖編程，從目前商用的無鎖編程庫NOBLE來看，只提供了隊列、棧、鏈表、詞典、帶引用計數(shù)的垃圾回收內(nèi)存管理等少數(shù)幾種無鎖編程結(jié)構(gòu)，只能解決部分鎖競爭問題，這個庫的售價高昂，以下是從NOBLE的網(wǎng)站上拷貝下來的售價。

$1395 USD, NOBLE Professional Edition, Evaluation License 1 Months, Windows

$3295 USD, NOBLE Professional Edition, Evaluation License 3 Months, Windows

看了這個售價，估計國內(nèi)也沒有多少公司愿意出這么高昂的價錢的購買這個一個功能有限，且使用起來不像以前的使用鎖的庫那么方便的庫。

既然沒有無鎖編程的免費午餐可以享用，那么使用鎖來編程的話，可不可以避免鎖競爭導(dǎo)致的CPU饑餓現(xiàn)象呢？答案是可以的，這就是文章標(biāo)題中的線程分組競爭模式，它使用鎖來進行保護共享數(shù)據(jù)，但是又避免了鎖競爭時出現(xiàn)CPU饑餓現(xiàn)象。其實這個模式在業(yè)界已經(jīng)有了很成功的實踐，那就是隊列池。當(dāng)然這個模式的應(yīng)用不僅僅限于隊列池，也可以用到很多其他的滿足一定條件的共享數(shù)據(jù)保護上。

先看一下線程分組競爭模式的基本思想，所謂線程分組競爭就是將線程分成若干個組，每個組的線程間存在鎖競爭，但是不同組之間的線程不存在鎖競爭。下圖以添加操作和刪除操作作為示例來顯示2個分組線程競爭的情況：

圖中顯示了兩個分組的線程競爭情況，共有四個線程分成兩組進行競爭，添加操作線程1和刪除操作線程1之間存在鎖競爭情況，添加操作線程2和刪除操作線程2之間存在鎖競爭情況，但是添加操作線程1（或刪除操作線程1）和添加操作線程2和刪除操作線程2之間不存在鎖競爭。

在這種分組鎖競爭模式下，任意一組線程中，至少有一個線程在執(zhí)行，因此如果有N組線程的話，那么至少有N個線程在執(zhí)行，如果N大于等于CPU的核數(shù)，那么任意一個CPU     核上都有線程一直在運行，可以充分保證CPU不會產(chǎn)生饑餓現(xiàn)象。

并不是任意共享數(shù)據(jù)都可以采用線程分組競爭的形式來進行訪問，共享數(shù)據(jù)必須可以分成若干個獨立的子數(shù)據(jù)，每次操作只需要操作某個子數(shù)據(jù)，一次操作中不需要操作多個子數(shù)據(jù)。

線程分組競爭模式和無鎖編程相比，有著很大的優(yōu)勢，最重要的優(yōu)勢有兩點：

一、使用有鎖編程，編程難度很小，易于為普通程序員掌握。

二、并發(fā)性比無鎖編程更好，無鎖編程中存在原子操作競爭問題，其競爭激烈程度會隨CPU核數(shù)增加而增加，特別是當(dāng)原子操作包含在大循環(huán)中時，原子操作競爭最壞情況下會使性能降到和單核CPU一樣。而線程分組模式中各個CPU核完全是并行運行的，CPU核相互間不存在競爭問題，因此CPU核數(shù)增加不會造成任何影響。

以上講的是線程分組競爭模式的一種情況，實際情況中很多情況和這種模式并不完全符合，因此線程分組模式存在一些變種以適應(yīng)更多的實際情況。下圖便是一個最常見的變種：

如上圖所示，在這個變種中添加操作線程只有一個，而刪除操作線程卻有兩個，添加操作線程A如果操作子內(nèi)存區(qū)域1，則使用lock1，操作子內(nèi)存區(qū)域2時則使用lock2。添加操作線程A可以和刪除操作線程1和刪除操作線程2存在鎖競爭，但是刪除操作線程1和刪除操作線程2之間不存在鎖競爭。從運行情況來看，3個線程中至少有2個在同時運行，如果有N個子內(nèi)存區(qū)域和N個刪除操作線程的話，那么至少有N個線程在同時運行，因此這種鎖競爭模式中，同樣可以保證當(dāng)CPU核數(shù)少于等于線程分組的個數(shù)時，不會發(fā)生CPU饑餓現(xiàn)象。隊列池便是這種模式的一個很好的成功實踐。

線程分組競爭模式是消除鎖競爭造成多核CPU性能下降的最有效方式，它的性能近似于單核CPU中的多線程編程的性能，這種模式也是設(shè)計本地分布式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的一種有效方法。

到此，關(guān)于“怎么理解多核編程中的線程分組競爭模式”的學(xué)習(xí)就結(jié)束了，希望能夠解決大家的疑惑。理論與實踐的搭配能更好的幫助大家學(xué)習(xí)，快去試試吧！若想繼續(xù)學(xué)習(xí)更多相關(guān)知識，請繼續(xù)關(guān)注創(chuàng)新互聯(lián)網(wǎng)站，小編會繼續(xù)努力為大家?guī)砀鄬嵱玫奈恼拢?/p>

文章名稱：怎么理解多核編程中的線程分組競爭模式
標(biāo)題路徑：http://muchs.cn/article48/gdisep.html

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