李劭卓

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué)渤海校區(qū)，黃驊 061000）

0 引言

在計(jì)算機(jī)發(fā)展史上，計(jì)算機(jī)從單線程發(fā)展到了多線程，多線程的出現(xiàn)很大程度上提升了計(jì)算機(jī)的性能，但是在人類科技發(fā)展的需求以及摩爾定理的限制下，單核處理機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)到達(dá)極限。為了響應(yīng)更多計(jì)算機(jī)性能方面的需求，適應(yīng)計(jì)算機(jī)發(fā)展的需要，計(jì)算機(jī)已開始從單處理器系統(tǒng)向多處理器系統(tǒng)發(fā)展。

在多核處理機(jī)系統(tǒng)的快速發(fā)展中，多核系統(tǒng)編程（任務(wù)識(shí)別、平衡、數(shù)據(jù)分割、數(shù)據(jù)依賴、測試與調(diào)試）和程序正確性（同步與死鎖）的兩個(gè)方面難題越發(fā)突出。為了解決這些難題并設(shè)計(jì)出更好的多線程程序，人們開始通過編譯器與運(yùn)行時(shí)庫來創(chuàng)建和管理多線程，即隱式線程（implicit threading），基于隱式線程與多線程的主要設(shè)計(jì)方法有三種：線程池（Thread pool）、OpenMP、大中央調(diào)度（Grand Central Dispatch，GCD）。

1 隱式多線程的實(shí)現(xiàn)方法

1.1 線程池

當(dāng)多線程服務(wù)器接收到一個(gè)請求時(shí)，如果采用創(chuàng)建一個(gè)新的線程去處理請求會(huì)出現(xiàn)兩種問題。第一種：創(chuàng)建新的線程需要時(shí)間并且在處理后會(huì)被丟失，第二種：沒有限制系統(tǒng)內(nèi)部并發(fā)執(zhí)行線程的數(shù)量。這兩個(gè)問題會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度以及性能的降低。

而線程池的出現(xiàn)為線程的創(chuàng)建、銷毀以及資源不足的問題提供了解決方案。在進(jìn)程開始的時(shí)候，系統(tǒng)就創(chuàng)建一定數(shù)量的線程，并將這些線程加入池中等待喚醒，當(dāng)服務(wù)器收到請求時(shí)，服務(wù)器就喚醒一個(gè)可用的線程，然后將需要服務(wù)的請求傳遞給該線程，待線程完成服務(wù)之后，再重新返回到線程池中等待下一次喚醒，若沒有可用的線程，則服務(wù)器就會(huì)開始等待，直到有空線程為止。

優(yōu)點(diǎn)：

（1）提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。系統(tǒng)已經(jīng)創(chuàng)建好了一定數(shù)量的線程，當(dāng)有請求到來時(shí)，可直接使用預(yù)先建立好的線程，不需要重新創(chuàng)建線程，這消除了系統(tǒng)創(chuàng)建線程時(shí)的時(shí)間延遲。

（2）線程池限制了任何時(shí)刻的可用線程的數(shù)量。系統(tǒng)預(yù)先創(chuàng)建一定數(shù)量的線程，并且限制它們的數(shù)量，這能夠控制線程對象在內(nèi)存中的消耗。十分有利于有大量并發(fā)式訪問，而其任務(wù)短小的服務(wù)器。

（3）將待執(zhí)行任務(wù)從創(chuàng)建任務(wù)的機(jī)制中分離出來。允許使用延遲或定期執(zhí)行的策略運(yùn)行任務(wù)。

（4）降低系統(tǒng)的開銷與資源的消耗。線程池中的線程被重復(fù)利用，使用后的線程會(huì)重新返回到線程池中，不會(huì)被銷毀，降低了虛擬機(jī)垃圾回收方面的開銷。

缺點(diǎn)：

（1）需要考慮線程池的大小。線程池中的線程并非越多越好，需要結(jié)合軟硬件的具體環(huán)境以及應(yīng)用程序自身的特點(diǎn)來考慮。

（2）線程泄露。當(dāng)線程執(zhí)行完任務(wù)后，沒有返回到線程池中。需要采取異常捕捉的方法防止線程泄露。

（3）并發(fā)錯(cuò)誤。要從邏輯上考慮線程的并發(fā)狀況，防止死鎖的出現(xiàn)。

1.2 OpenMP

OpenMP是一種支持共享內(nèi)存環(huán)境的多處理器多線程并行編譯語言，它由一組編譯指令和API組成，其通過向C、C++、Fortran語言提供一組和平臺(tái)無關(guān)的編譯指令、函數(shù)調(diào)用、指導(dǎo)函數(shù)以及環(huán)境變量，來指示OpenMP運(yùn)行時(shí)庫在何時(shí)何處才能進(jìn)行并行處理。

并行處理的指示指令為#pragma omp parallel，當(dāng)程序進(jìn)行到指示指令時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)創(chuàng)建一個(gè)與系統(tǒng)處理器數(shù)量一樣多的線程。原線程（主線程）與新派生出來的線程（組的從屬線程）組成線程組，即從單個(gè)線程執(zhí)行轉(zhuǎn)換為多線程并行執(zhí)行，待程序執(zhí)行完并行區(qū)域（parallel fegion）的所有內(nèi)容后，系統(tǒng)將會(huì)把并行線程的所得結(jié)果連接在一起，并重新開始單個(gè)線程執(zhí)行，此通常用于循環(huán)結(jié)構(gòu)的并行化處理。

除提供并行化指令外，OpenMP還允許手動(dòng)設(shè)置線程數(shù)量、指定哪個(gè)數(shù)據(jù)可在線程間共享、哪個(gè)數(shù)據(jù)只屬于某個(gè)線程，其支持的操作系統(tǒng)有Windows、Linux、Mac OS X，并可用于多種開源編譯器和商用編譯器。

優(yōu)點(diǎn)：

（1）有利于多核升級(jí)后的程序性能。多核編程需要考慮到今后硬件核數(shù)升級(jí)之后的程序性能問題，如果將程序設(shè)計(jì)為隨CPU核數(shù)增長，就無法固定線程的數(shù)量；如果固定線程數(shù)量并且要求CPU核數(shù)增加時(shí)，程序性能也要增加，則需要在每次硬件核數(shù)升級(jí)后，程序進(jìn)行相對應(yīng)的更改。OpenMP可直接根據(jù)CPU的核數(shù)創(chuàng)建線程，這十分方便。

（2）并行區(qū)域執(zhí)行方便。多核編程中，需要將并行部分均分到各個(gè)CPU核心中，這對計(jì)算的負(fù)載均衡要求很高，但OpenMP可直接將并行區(qū)域的代碼分解為多個(gè)線程執(zhí)行。

（3）方便移植。OpenMP是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，所有支持OpenMP的編譯器執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)一致。

缺點(diǎn)：

（1）使用范圍有限。OpenMP是一種支持共享內(nèi)存環(huán)境的多處理器多線程并行編譯語言，在非共享內(nèi)存系統(tǒng)中無法使用。

（2）高層抽象的局限性。OpenMP在需要復(fù)雜線程同步與互斥場合中不適用。

1.3 大中央調(diào)度

大中央調(diào)度是Apple Mac OS X和iOS的一種技術(shù)，它能為C語言、API和運(yùn)行時(shí)庫提供一組擴(kuò)展，允許多個(gè)代碼區(qū)域并行運(yùn)行。

GCD在C與C++中增加了塊（block）的擴(kuò)展，用字符加{ }的形式將塊括起來，同時(shí)以一個(gè)塊為獨(dú)立單位，然后將各個(gè)塊放入調(diào)度隊(duì)列（dispatchqueue）中，在執(zhí)行程序時(shí)

，每次從調(diào)度隊(duì)列中取出一個(gè)塊，并將它分配給線程池中的一個(gè)可用線程。

調(diào)度隊(duì)列有兩種形式：串行（serial）和并行（concurrent）。

串行：

串行隊(duì)列以先進(jìn)先出的形式進(jìn)行塊的執(zhí)行，每次只能執(zhí)行一個(gè)塊，每當(dāng)一個(gè)塊執(zhí)行完后，才會(huì)從調(diào)度隊(duì)列中調(diào)度下一個(gè)塊。在進(jìn)程中可以有多個(gè)串行隊(duì)列，但是只能有一個(gè)主隊(duì)列，其用于保證任務(wù)的順序的正確性。

并行：

并發(fā)隊(duì)列也以先進(jìn)先出的進(jìn)行塊的執(zhí)行，但是每次可以執(zhí)行多個(gè)塊，進(jìn)行多個(gè)塊的并行運(yùn)行。

在大中央調(diào)度中的線程池由POSIX線程組成，GCD會(huì)根據(jù)應(yīng)用需求以及系統(tǒng)的容量動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)線程的數(shù)量，以此實(shí)現(xiàn)對內(nèi)部線程池的管理。

優(yōu)點(diǎn)：

（1）GCD更加接近底層。GCD提供底層函數(shù)，在追求性能的底層操作中，速度很快，并提供更強(qiáng)大的控制力。

（2）系統(tǒng)資源利用率高?？梢院唵蔚卦诓煌a中傳遞上下文，減少上下文之間的切換，提高資源的利用率，減輕系統(tǒng)的負(fù)荷。

缺點(diǎn)：

操作實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。GCD需要許多代碼來實(shí)現(xiàn)異步操作之間的事務(wù)性、順序行和依賴關(guān)系。

1.4 其他方法

線程構(gòu)造模塊（Treading Building Block，TBB）：

一種由Intel開發(fā)用于并行編程的C++線程庫，它不需要線程編程，允許運(yùn)行時(shí)庫自動(dòng)地將邏輯并行映射到線程中，有效地利用了CPU資源，而且可以與其他線程兼容，實(shí)現(xiàn)無縫共存。

Java.util.concurrent：

一種Java語言用于并行編程的實(shí)用工具類，它包括了幾個(gè)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化的可擴(kuò)展框架和一些提供有用功能的類。

2 結(jié)束語

多核多線程已成為處理器發(fā)展的一個(gè)大方向，它能提升計(jì)算機(jī)的性能，但面臨著多核系統(tǒng)編程和程序正確性上的兩個(gè)方面難題，隱式多線程可以有效地解決與緩解這兩方面問題。

雖然隱式多線程實(shí)現(xiàn)技術(shù)很多，但其核心思想是控制系統(tǒng)中線程的數(shù)量，利用已有線程執(zhí)行任務(wù)、創(chuàng)建線程數(shù)量要與計(jì)算機(jī)處理核心相匹配以及動(dòng)態(tài)地調(diào)用線程數(shù)量。