美國服務器目前主流的Linux系統(tǒng)主機都是馮諾依曼架構(gòu)，即共享內(nèi)存的計算模型，這種過程計算模型對并行計算并不友好。這種美國服務器架構(gòu)中，有如下設計特點：

1）多個美國服務器CPU核改善處理器的計算處理能力

2）多級cache改善美國服務器CPU訪問主存的效率

3）各個CPU都有本地內(nèi)存(NUMA(非一致性內(nèi)存訪問))，進一步改善CPU訪問主存的效率

4）store buffer模塊改善cache write由于應答延遲而造成的寫停頓問題

5）invalidate queue模塊改善使無效應答的時延，把使無效命令放入queue后就立即發(fā)送應答

6）外設DMA支持直接訪問主存，改善美國服務器CPU使用效率

這些硬件體系設計特點也引入很多問題，最大的問題就是cache一致性問題和亂序執(zhí)行問題。cache一致性問題由cache一致性協(xié)議MESI解決，MESI由硬件保證，對軟件來說是透明的。

MESI協(xié)議保證所有CPU對單個cache line中單個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：

1）store buffer引起的延遲處理，會造成亂序

2）invalidate queue引起的延遲處理，會造成亂序

3）編譯優(yōu)化，會造成亂序

4）分支預測、多流水線等CPU硬件優(yōu)化技術，會造成亂序

5）外設DMA，會造成數(shù)據(jù)亂序

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

多核并行編程關鍵技術

1、鎖技術

美國服務器Linux kernel提供了多種鎖機制，如自旋鎖、信號量、互斥量、讀寫鎖、順序鎖等。各種鎖的簡單比較如下：

1）自旋鎖，不休眠，無進程上下文切換開銷，可以用在中斷上下文和臨界區(qū)小的場合

2）信號量，會休眠，支持同時多個并發(fā)體進入臨界區(qū)，可以用在可能休眠或者長的臨界區(qū)的場合

3）互斥量，類似與信號量，但只支持同時只有一個并發(fā)體進入臨界區(qū)

4)讀寫鎖，支持讀并發(fā)，寫寫/讀寫間互斥，讀會延遲寫，對讀友好，適用讀側(cè)重場合

5)順序鎖，支持讀并發(fā)，寫寫/讀寫間互斥，寫會延遲讀，對寫友好，適用寫側(cè)重場合

鎖技術雖然能有效地提供并行執(zhí)行下的競態(tài)保護，但鎖的并行可擴展性很差，無法充分發(fā)揮多核的性能優(yōu)勢。鎖的粒度太粗會限制擴展性，粒度太細會導致巨大的系統(tǒng)開銷，而且設計難度大，容易造成死鎖。以下技術手段或指導原則能解決或減輕這些問題的風險：

1）按統(tǒng)一的層次順序使用鎖，解決死鎖問題

2）指數(shù)后退，解決活鎖/饑餓問題

3）范圍鎖，解決鎖驚群問題

4）優(yōu)先級繼承，解決優(yōu)先級反轉(zhuǎn)問題

2、原子技術

原子技術主要是解決cache不一致性和亂序執(zhí)行對原子訪問的破壞問題。主要的原子原語有：

1）ACCESS_ONECE()：只限制編譯器對內(nèi)存訪問的優(yōu)化

2)barrier()：只限制編譯器的亂序優(yōu)化

3)smb_wmb()：寫內(nèi)存屏障，刷新store buffer，同時限制編譯器和美國服務器CPU的亂序優(yōu)化

4）smb_rmb()：讀內(nèi)存屏障，刷新invalidate queue，同時限制編譯器和美國服務器CPU的亂序優(yōu)化

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

6）atomic_inc()/atomic_read()：美國服務器整型原子操作

3、無鎖技術

原子技術是無鎖技術中的一種，除此之外，無鎖技術還包括RCU、Hazard pointer等，這些無鎖技術都基于內(nèi)存屏障實現(xiàn)的：

1）Hazard pointer主要用于對象的生命周期管理，類似引用計數(shù)，但比引用計數(shù)有更好的并行可擴展性。

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

不過，所有的無鎖原語也只能解決讀端的并行可擴展性問題，寫端的并行可擴展性只能通過數(shù)據(jù)分割技術來解決。

4、數(shù)據(jù)分割技術

分割數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減少共享數(shù)據(jù)，是解決并行可擴展性的根本辦法。對分割友好(即并行友好)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有：

1）數(shù)組

2）哈希表

3）基樹/稀疏數(shù)組

4）跳躍列表

使用這些便于分割的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，有利于通過數(shù)據(jù)分割來改善并行可擴展性。除了使用合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)外，合理的分割指導規(guī)則也很重要：

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

2）路徑分割：按獨立的代碼執(zhí)行路徑來分割數(shù)據(jù)

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

4）所有權(quán)分割：按美國服務器CPU/線程個數(shù)對數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行分割，把數(shù)據(jù)分割到per-cpu/per-thread中

以上這些美國服務器Linux系統(tǒng)多核并行編程內(nèi)容，基本上涵蓋了Linux kernel中所有的并發(fā)編程關鍵技術。當然并行編程還有很多其他技術沒有應用到Linux kernel中的，如無副作用的并行函數(shù)式編程技術、消息傳遞、MapReduce等等。

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