多核处理器编程:实现并行计算的关键

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本文介绍了多核处理器编程的基本概念和原理,包括数据并行和任务并行两种并行计算模式。并讨论了任务划分与调度、数据共享与同步的关键问题,提供了使用OpenMP进行并行计算的示例代码,强调了多核处理器编程在提高计算性能和效率方面的重要性。

多核处理器编程是指将两个以上的核心整合在一起,以实现并行计算的技术。随着计算机硬件的发展,多核处理器已成为现代计算机系统的重要组成部分。通过合理地利用多核处理器的并行计算能力,可以显著提高计算性能和效率。本文将介绍多核处理器编程的基本概念和原理,并提供一些示例源代码来帮助读者理解和实践。

一、多核处理器编程的基本概念

多核处理器是指在一个物理芯片上集成了两个或更多的处理核心。这些处理核心可以同时执行不同的指令,从而实现并行计算。多核处理器编程的关键是将计算任务划分为多个子任务,并将这些子任务分配给不同的处理核心进行并行处理。通过合理的任务划分和调度,可以充分发挥多核处理器的计算能力,提高系统的整体性能。

在多核处理器编程中,存在两种常见的并行计算模式:数据并行和任务并行。数据并行是指将数据集合划分为多个子数据集合,每个子数据集合由一个处理核心独立处理。任务并行是指将任务划分为多个子任务,每个子任务由一个处理核心独立执行。在实际应用中,可以根据具体的需求选择适合的并行计算模式。

二、多核处理器编程的原理

多核处理器编程的核心原理是并行计算和数据共享。并行计算是指多个处理核心同时执行不同的计算任务,从而提高计算性能。数据共享是指多个处理核心共享同一块内存空间,通过读写共享数据实现信息交换和通信。

在多核处理器编程中,需要解决以下几个关键问题:

  1. 任务划分和调度:将计算任务划分为多个子任务,并将这些子任务分配给不同的处理核心进行并行处理。合理的任务划分和调度可以充分发挥多核处理器的计算能力。

  2. 数据共享和同步:多个处理核心共享同一块内存空间,需要进行数据共享和同步操作,以保证数据的一致性和正确性。常用的数据同

一. 并发与并行的区别? ........................................................................................................................... 1 1.1 串行 .................................................................................................................................................. 1 1.2 并发 .................................................................................................................................................. 1 1.3 并行 .................................................................................................................................................. 1 1.4 多核编程的难点 ............................................................................................................................... 2 二. 多核体系架构 ...................................................................................................................................... 3 2.1 多核处理器定义 ............................................................................................................................... 3 2.2 多核发展趋势 .................................................................................................................................. 3 2.3 一个多核处理器架构例子 ............................................................................................................... 5 2.4 LINUX 线程核绑定 .............................................................................................................................. 6 2.4.1 核亲和性绑定 ........................................................................................................................... 6 2.4.2 资源控制 cgroup ...................................................................................................................... 8 三. 内存模型 .............................................................................................................................................. 8 3.1 操作原子性 ...................................................................................................................................... 9 3.1.1 原子性的3种保证机制 ........................................................................................................... 9 3.1.2 硬件原子操作 ........................................................................................................................... 9 3.1.3 总线锁-原子操作原语 ............................................................................................................ 12 3.2 缓存一致性 .................................................................................................................................... 16 3.2.1 定义 ........................................................................................................................................ 16 3.2.2 CC协议 .................................................................................................................................... 17 3.2.3 伪共享 .................................................................................................................................... 21 3.3 顺序一致性 .................................................................................................................................... 24 3.3.1 定义 ........................................................................................................................................ 24 3.3.2 几种顺序约束 ......................................................................................................................... 25 3.3.3 乱序执行和内存屏障 ............................................................................................................. 28 四. 并发级别 ............................................................................................................................................ 31 4.1 WAIT-FREEDOM 无等待并发 .............................................................................................................. 32 4.2 LOCK-FREEDOM 无锁并发 ................................................................................................................... 32 4.3 OBSTRUCTION-FREEDOM 无阻塞并发 .................................................................................................. 33 4.4 BLOCKING ALGOITHMS 阻塞并发 .......................................................................................................... 33 五. 锁 ....................................................................................................................................................... 34 5.1 信号量 ............................................................................................................................................ 34 5.2 自旋锁 ............................................................................................................................................ 35 5.3 读写锁 ............................................................................................................................................ 35 5.4 顺序锁 ............................................................................................................................................ 37 5.5 RCU .................................................................................................................................................. 38 六. 无锁编程 ............................................................................................................................................ 38 6.1 定义 ................................................................................................................................................ 39 七. 并发数据结构、开源库 ..................................................................................................................... 41 7.1 一些开源的并发库 ......................................................................................................................... 41 7.2 一次无锁哈希表跟基于锁的哈希表性能对比测试 ..................................................................... 41 7.2.1 测试平台 ................................................................................................................................ 41 7.2.2 测试过程 ................................................................................................................................ 42 7.2.3 哈希算法 ................................................................................................................................ 43 7.2.4 测试结果 ................................................................................................................................ 44 八. 多核工程实践 .................................................................................................................................... 44 8.1 网络设备 :INTEL DPDK .................................................................................................................. 44 8.2 网络游戏 ........................................................................................................................................ 44 8.3 手机开发 ........................................................................................................................................ 45 九. 参考 ................................................................................................................................................... 45
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