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深入理解並行編程-分割和同步設計（三）
設計準則
上麵的章節中給出了三個並行編程的目標：性能、生產率和通用性。但是還需要更詳細的設計準則來真正的指導真實世界中的設計，這就是本節將解決的任務。在真實世界中，這些準則經常在某種程度上衝突，這需要設計者小心的權衡得失。
這些準則可以被認為是設計中的阻力，對這些阻力進行恰當權衡，這就稱為“設計模式”[Ale79]，[GHJV95]。
基於三個並行編程目標的設計準則是加速、競爭、開銷、讀寫比率和複雜性。
加速：性能增加是花費如此多時間和精力進行並行化的主要原因。加速的定義是運行程序的順序執行版本所需要的時間，比上執行並行版本所需時間的比例。
競爭：如果對於一個並行程序來說，增加更多的CPU並不能讓程序忙起來，那麼多出來的CPU是因為競爭的關係而無法有效工作。可能是鎖競爭、內存競爭或者其他什麼性能殺手的原因。
工作-同步比率：單處理器、單線程、不可搶占、不可中斷版本的並行程序完全不需要任何同步原語。因此，任何消耗 在這些原語上（通信中的cache miss、消息延遲、加解鎖原語、原子指令和內存屏障等）的時間都是對程序意圖完成的工作沒有直接幫助的開銷。重要的衡量準則是同步開銷與臨界區中代碼的 開銷之間的關係，更大的臨界區能容忍更大的同步開銷。工作-同步開銷比率與同步效率的概念有關。
讀-寫比率：極少更新的數據結構更多是複製而不是分割，並且用非對稱的同步原語來保護，以提高寫者同步開銷的代價來降低讀者的同步開銷。對頻繁更新的數據結構的優化也是可以的，詳見第4章的討論。
複雜性：並行程序比相同的順序執行程序複雜，這是因為並行程序要比順序執行程序維護更多狀態，雖然這些狀態在某些情況下（有規律並且結構化的）理解起來很容易。並行程序員必須考慮同步原語、消息傳遞、鎖的設計、臨界區識別以及死鎖等諸多問題。
更大的複雜性通常轉換成了更高的開發和維護代價。因此，代碼預算可以有效限製對現有程序修改的數目和類型，因為原有程序在一定程度的加速隻值這麼多 的時間和精力。進一步說，還有可能對順序執行程序進行一定程度的優化，這比並行化更廉價、更有效。並行化隻是眾多優化中的一種，並且隻是一種主要應用於 CPU是瓶頸的優化。
這些準則合在一起，讓程序達到了最大程度的加速。前三個準則相互交織在一起，所以本節剩下的部分將分析這三個準則的交互關係。
請注意，這些準則也是需求說明的一部份。必須，加速既是願望（“越快越好”），又是工作負荷的絕對需求，或者說是“運行環境”（“係統必須至少支持每秒1百萬次的web點擊”）。
理解這些設計準則之間的關係，對於權衡並行程序的各個設計目標十分有用。
1. 程序在臨界區上所花的時間越少，潛在的加速就越大。這是Amdahl定律的結果，這也是因為在一個時刻隻能隻有一個CPU進入臨界區的原因。
2. 程序在某個互斥的臨界區上所耗費的時間必須大大小於CPU數的倒數，因為這樣增加CPU數目才能達到事實上的加速。比如在10個CPU上運行的程序隻能在關鍵的臨界區上花費小於1/10的時間，這樣擴展性才好。
3. 競爭效應所浪費的多餘CPU和/或者本來該是加速的牆上時間，應該少於可用CPU的數目。CPU數和實際的加速之間的差距越大，CPU使用的效率越低。同樣，需要的效率越高，可以做到的加速就越小。
4. 如果可用的同步原語相較它們保護的臨界區來說開銷太大，那麼加速程序運行的最佳辦法是減少調用這些原語的次數（比如分批進入臨界區、數據所有權、RCU或者使用粒度更粗的設計——比如代碼鎖）。
5. 如果臨界區相較守護這塊臨界區的原語來說開銷太大，那麼加速程序運行的最佳辦法是增加程序的並行化程度，比如使用讀寫鎖、數據鎖、RCU或者數據所有權。
6. 如果臨界區相較守護這塊臨界區的原語來說開銷太大，並且被守護的數據結構讀多於寫，那麼加速程序運行的最佳辦法是增加程序的並行化程度，比如讀寫鎖或者RCU。
7. 各種增加SMP性能的改動，比如減少鎖競爭程度，能改善響應時間。
文章轉自 並發編程網-ifeve.com
最後更新：2017-05-22 15:33:36