多核多線程技術編程

1、兒年之侃，cpu的性能還主要取決于cpu的主頻，經過超摩爾定律的發(fā)展后，沒過多長 吋間cpu的主頻速度就已接近“極限”，使得單單靠提高cpu的主頻來提升性能變得非常困 難。h前，intel, amd等cpu生產商都轉而采川了多核技術來提升cpu性能，其至提出了 群核cpu的概念。這意味著，要充分發(fā)揮多核cpu的性能，程序就必須采用多線程并發(fā)計算 的方式，傳統(tǒng)的串行程序將會極大地浪費多核cpu的運算能力！c+是上世紀80年代誕生的語言，它的前身是同樣風靡全球的c語言。一直以來它都以 代碼效率卓越著稱，進入多核時代fi,因為c+標準庫沒有提供多線程支持，要用c+開發(fā) 出充分利用多核cpu的程序將則

2、臨很大挑戰(zhàn)。干是，在c+社區(qū)岀現了不少優(yōu)秀的庫以支持并行編程，如各種跨平臺的線程庫，open mp, clik+等。另一方面，微軟也從win2k開始不斷地加入線程池api (如queueuserwork item) , c+09標準也明確地表示要加入多線程的支持。使川線程庫編寫并行程序的優(yōu)點是可以精確調度各個線程，并.r.可以在所冇c+編譯器 垠使用。不過耍充分發(fā)揮多核cpu的性能，還耍考慮很多w素，主耍難點有： 死鎖 編寫多線程必然會遇到m步問題，如染m步控制出現問題，就討能出現死 鎖或臟數據。 線程之間通信 使川何種機制在多個線程之間通信？即要保證通信數據同步乂要 保證效率。 負載平衡分配

3、到每個線程的工作量要盡量平衡，避免一個線程忙一個線程閑的怙形發(fā)生。 資源匹配程序應該使用多少個線程？過少的線程不能充分利用cpu的多核優(yōu)勢，而過多的線程會造成線程凋度過于頻繁同樣會降低效率。openmp是目前比較流行的c+并行編程方式，它通過在代碼巾插入專用的pragma編譯 指令來指示編譯器把串行代碼編譯成丼行程序。它的優(yōu)點是易于使用，幾乎不用修改原代碼就可對老程序進行并發(fā)文待的改造。問題 是它必須要有編澤器的支持，盡管目前不少編譯器都提供了 openmp的支持，侃它畢竟不 是c+的-部分，甚至它都不是真正意義上的c+庫?，F在，我們又有了一個新選擇：intel thread building

4、 blocks(tbb，線程構建模塊)。 tbb是一個開源的c+模板庫，能夠運行在windows、linux、macintosh以及unix等系統(tǒng) 上，只要是標準的c+編譯器都可以使用它。以不足程序測試的實驗案例和測試結果： for ( int j = 0; j < nuin; j+ )kj=j;for (int p=0;p<10000;p+)cout (p); /進行很大的for循環(huán)，又調用函數，主要 n的就是讓它耗時間；for (int i=0; i<num; i+)/順序輸出 0-99;printf ("%d ", ki);很顯然，這是一個經典的單線

5、程程序，其中的for(int p=0;p10000;p+)cout(p);是 一個內嵌了提高程序復雜性的函數的人循環(huán)，主要是為了提尚程序的額外幵銷，以便于我們 能夠明顯的觀察到多線程程序與單線程程序之間的性能差異。整個for程序執(zhí)行的流程如卜 所示：j=0 -> kj=j -進行復雜運算_j! =j+并繼續(xù)下一個循環(huán)mam-1 ?:退出循環(huán) 并順序顯示k nuni中的內容有一點需耍注意的是，由于單線程的程序是順序執(zhí)行的，所以上而這個程序笫二個for 語句其實是可以不必使用的，可以將它內嵌入第一個for語句中：for ( int j = 0; j < num; j+ )for (in

6、t p=0;p<10000;p+)cout(p); /進行很大的for循環(huán)，又調用函數，主要 目的就是讓它耗時間;printf (%d ", ki);這樣nj以減少程序額外開銷，但是對于多線程程序來說，這點開銷是必須的，如果輸出 必須是順序的話，那我們有必?？刂扑妮敵鲰樞颍駝t將會hi現亂序輸hi-盡管結果是:lh: 確的，假是輸出的順序卻足我們不想看到的。當然，第二個for語句所增加的開銷，遠遠比 不上外行稅序運行吋所節(jié)約的開銷。我們使川intel的openmp技術來創(chuàng)建多線程的程序， 因為openmp技術夠良觀，也很界易去分析與理解，所以我們無需去調用底層apt就能夠輕

7、易的實現多線程編程。要使用openmp技術就要安裝intel編譯器及下的openmp組件， intel編譯器可以很好的與visual stdio整合在一起，起碼要求是你的計算機上必須安裝 了 visual 0+6.0。當然，安裝完之后我們必須進行一些設置,以visual stdio 2008為例， 如果我們想要使用openi叩技術的話，我們須在vc項目下右邊的“資源管理器”屮點“屬 性”一“c/c+” 一 “語言”-有個“opernnp支持”選項，選“是(/openmp) ”即可。另 外我們必須在程序中插入omp. h的頭文件。做完了最基木的設置之v；，我們就可以丌始改程序了：pragma o

8、mp parallel for/就多了這么一么j,在我的電腦上就快了 75%；for ( int j = 0; j < num; j+ )for(int p=0;p<10000;p+)cout(p):for（int i=0;i<num;i+） printf（"%d "，ki）;這就可以了，我們發(fā)現，僅僅只是多了一條“#pragma omp parallel for”而已，但是 就多了這么一川，就是程序在我的汁算機上快了近75% （估測，非精確計算）。原先程序使 用丫近32秒，但是現在程序僅用丁 8秒，這證明了程序運行確實是大幅提高丁性能。那我 們該著么理解

9、這僅多出來的一條語句呢？很簡單，這兄然是編譯器控制桁令，它會在程序編 譯的吋候自動分析for語句，將它拆成多個線程來運行。這樣做的好處是我們能夠很簡單的 就創(chuàng)建多線程程序而無需去了解其底層的運行機制，但是它也有一些局限性，使得我們不得 不考慮以下幾個問題：1. 對for語句我們必須使川for （i=xxx； x或xxx; i的運算法則不能含有變景）其屮 xxx力固®的常數的形式的循環(huán)i能夠使用郎1113 omp parallel for （當然sections結 構也吋以進行拆分），也就是說在需耍進行多線程化的循環(huán)必須是定長的、nf預見的，當然 使川低層api我們可以動態(tài)的創(chuàng)建線程，

10、也就不存在定長循環(huán)的問題。2. 對所要拆分線程的for語句，規(guī)定不得存在迭代相關性。因為創(chuàng)建線程后線程之間足 獨立運行的，如果線程之間存在相關性，將會使得程序產生混亂的運行結果。當然使用底層 的apt我們可以更杏效的控制和操作各個線程的合作與運行，但是在openmp就無法實現了。 如果要進行多線程化的循環(huán)出現了迭代相關性，那我們必須東新設計for循環(huán)，以等效的無 相關性的循環(huán)代替它，倂是代價就是提高了程序的復雜性。3. 數據競爭。我們必須保證，各個線程之間不會對同一個外部或公共變鱟進行操作（哪 怕是讀操作都是危險的），在此情況下，intel提供/兩種方案：一種是盡可能的使用私冇 或局部變量；一

11、種是獲取公共變量的副木?？傊?，openmp的編程技術確實是非常的方便與美妙，只要我們在程序設計的吋候遵守 了以上幾個法則即可。當然，openmp的功能耍遠為強大的多，包括更s雜的線程分配方案、 更復雜的操作等，但是卻能很簡單的應用。不過對木例來說還用不著那些技術，僅pragma omp parallel for就足亦。k面我將這次試驗的源代碼完整的貼上米，以使各位能夠更全 面的來了解-下程序的結構：/多線程試驗程序include "stdafx. h"#include<stdio. h>#includc<omp. h>#include<coni

12、o.h>#define num 100void cout(int p) /s雜運算函數，僅是讓他做雜計筒; p=(1+2+3+4+5+6+7+8+9+10)/(9*8*7*6*5*4*3*2*1); for(int k=0;k<10000;k+);int main(int argc, char木 argv)int knum;char c=, 0 ；printf （"請選擇想執(zhí)行的程序：nl.單線程示例程序2.多線程示例程序43.退出n注：這兩段程序相同所不同的是第二段為多線程程序，計算性能成從電腦提示程序己經開始 時計算！ vi請輸入：k/這個for是整個循環(huán)主題了，也就

13、是程序的框架；但是這個for不是最耗性能的，所以不 用多線程化；for(;c!=3 ；)/如果c=3的話就直接退出，但是首次運行時賦值為0，所以不會退出；/選擇輸入;/這個if就是第一段程序的總體了，可以與下個else ifc=_getch 0; if(c= f)比較發(fā)現僅少了 #pragma omp parallel for語句;printfcln第一段程序已經開始了，該段程序是單線程程序“")；for ( int j = 0; j < num; j+ )for (int p=0;p<10000;p+) cout (p); /開始做無用功!既進行很人的 for循環(huán)，乂調

14、用函數，主要目的就是讓它耗吋間；for (int i=0; inum; i+)/順序輸出 0-99;printf ("%d ，ki);printf (n第一段程序已經結束n請輸入：)；else if(c= 2*)/第二段主程序；printf ("2n第二段程序己經開始了，該段程序和第一段程序相同，只足多 tpragma omp parallel for,我們可以仔細觀察它們的區(qū)別11");#pragma. omp parallel for/就多/這么一句，在我的hi腦匕就快丫 75%;for ( int j = 0; j < num; j+ )kj=j;for(int p=0;p<1