多線程鎖同步運(yùn)行時(shí)特征分析與調(diào)優(yōu)機(jī)制研究.pdf

1、隨著多核/眾核處理器的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)的處理能力得到大幅增強(qiáng)。為了充分地發(fā)揮多核/眾核處理器強(qiáng)大的計(jì)算能力，多線程編程技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，但同時(shí)也引入了線程間通信問(wèn)題，因此，設(shè)計(jì)出了鎖同步機(jī)制來(lái)協(xié)調(diào)線程間的通信。在多線程編程語(yǔ)言中，鎖同步機(jī)制的核心理念是保證不同線程對(duì)同一共享資源的沖突訪問(wèn)以互斥的方式進(jìn)行。盡管鎖同步機(jī)制保證了線程間通信的正確性，但由于多線程程序運(yùn)行時(shí)調(diào)度的隨機(jī)性與復(fù)雜性，在程序動(dòng)態(tài)執(zhí)行的過(guò)程中，現(xiàn)有的鎖同步機(jī)制也同時(shí)帶來(lái)了大量的

2、非沖突型互斥執(zhí)行，即不當(dāng)鎖同步。不當(dāng)鎖同步指由同一鎖保護(hù)的多個(gè)臨界區(qū)并未同時(shí)訪問(wèn)同一共享資源。程序運(yùn)行時(shí)形成的不當(dāng)鎖同步帶來(lái)了諸多負(fù)面影響：1）在程序性能影響方面，由于不當(dāng)鎖同步保護(hù)的多個(gè)臨界區(qū)沒(méi)有對(duì)同一共享資源進(jìn)行沖突訪問(wèn)，因此這些臨界區(qū)原本可并行執(zhí)行，然而鎖同步機(jī)制的互斥保護(hù)使得它們以串行的方式執(zhí)行，因此影響了多線程程序的性能。特別地，在鎖密集型的多線程程序中存在著大量的不當(dāng)鎖同步，這對(duì)多線程程序的性能造成了嚴(yán)重的影響。2）在數(shù)據(jù)競(jìng)

3、爭(zhēng)檢測(cè)方面，現(xiàn)階段主流的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)檢測(cè)方法大都基于Happens-Before（HB）關(guān)系實(shí)現(xiàn)。該檢測(cè)方法通常對(duì)不同線程間的解鎖和加鎖事件形成偏序時(shí)序關(guān)系，但凡兩個(gè)程序事件沒(méi)有偏序關(guān)系同時(shí)又沖突訪問(wèn)了同一共享資源，那么它們便構(gòu)成一個(gè)數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。然而，由于不當(dāng)鎖同步可并行化的特征，HB模型的強(qiáng)邊界時(shí)序關(guān)系通常會(huì)漏掉大量的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。此外，不當(dāng)鎖同步在程序動(dòng)態(tài)執(zhí)行過(guò)程中有指數(shù)量級(jí)變化的可能性，因此高效地識(shí)別不當(dāng)鎖同步并非一件易事。圍繞上述若干

4、鎖同步相關(guān)問(wèn)題，開(kāi)展了“多線程鎖同步運(yùn)行時(shí)特征分析與調(diào)優(yōu)機(jī)制研究”的課題，主要包括以下三方面：
　　在特征研究方面，首次對(duì)多線程鎖同步運(yùn)行時(shí)特征進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，特別是不當(dāng)鎖同步運(yùn)行時(shí)的特征分析。具體來(lái)說(shuō)，以若干真實(shí)的（real-world）多線程程序（例如 OpenLDAP、mysql、pbzip2、transmissionBT、handbrake）為基準(zhǔn)程序，對(duì)它們中的鎖同步進(jìn)行測(cè)試、跟蹤、收集，通過(guò)觀察進(jìn)一步對(duì)鎖同步運(yùn)行時(shí)特

5、征進(jìn)行總結(jié)，具體包括：鎖同步特征分類及其表現(xiàn)形式、產(chǎn)生原因、系統(tǒng)影響、防范策略和可能的修復(fù)措施等。特征研究同時(shí)揭示了11個(gè)鎖同步運(yùn)行時(shí)特征相關(guān)的新觀察，基于收集到的觀察結(jié)果探討了其所折射的研究蘊(yùn)意。通過(guò)對(duì)多線程鎖同步運(yùn)行時(shí)特征研究，加強(qiáng)了對(duì)不當(dāng)鎖同步的認(rèn)識(shí)與理解，對(duì)解決不當(dāng)鎖同步的程序影響有著重要的指導(dǎo)意義。
　　在性能調(diào)試方面，針對(duì)不當(dāng)鎖同步所造成的性能影響問(wèn)題，提出了基于記錄/重放技術(shù)的性能調(diào)試方法—PerfPlay。該方法的

6、核心思想如下：首先，記錄下含有不當(dāng)鎖同步性能問(wèn)題的原始程序執(zhí)行軌跡文件；其次，利用拓?fù)鋱D分析技術(shù)消除其中的不當(dāng)鎖同步執(zhí)行序列，使之變?yōu)椴缓胁划?dāng)鎖同步性能問(wèn)題的程序執(zhí)行軌跡文件；接著，對(duì)原始和修改后的程序執(zhí)行軌跡文件重放；最后，對(duì)比分析兩次重放結(jié)果進(jìn)而定量分析出不當(dāng)鎖同步所造成的凈性能損耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，PerfPlay方法：1）有著很高的性能穩(wěn)定性與性能精確性，進(jìn)而保證了重放分析的性能保真度；2）以低（<4.3％）運(yùn)行時(shí)鎖集開(kāi)銷，推薦

7、的不當(dāng)鎖同步代碼段有很高的優(yōu)化價(jià)值；3）案例分析的結(jié)果也進(jìn)一步逆向證明了PerfPlay在發(fā)掘不當(dāng)鎖同步方面的有效性。
　　在數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)檢測(cè)方面，提出了面向不當(dāng)鎖同步的弱時(shí)序邊界Happens-Before關(guān)系—ULCP-HB，ULCP-HB關(guān)系改善了傳統(tǒng)HB關(guān)系的強(qiáng)時(shí)序邊界特點(diǎn)，其能穿透不當(dāng)鎖同步交錯(cuò)解鎖和加鎖事件之間形成的偏序關(guān)系并使之并行化。為了實(shí)現(xiàn) ULCP-HB關(guān)系，結(jié)合不當(dāng)鎖同步運(yùn)行時(shí)特征，進(jìn)一步提出了在線啟發(fā)式分析與離

8、線重排序分析相結(jié)合的輕量級(jí)數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)檢測(cè)方法，該方法在幾乎不引入額外運(yùn)行時(shí)開(kāi)銷的情況下能夠發(fā)掘出因不當(dāng)鎖同步而隱藏的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。實(shí)驗(yàn)表明，相比于HB檢測(cè)方法，ULCP-HB能發(fā)掘出額外19.8%的數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)；且在幾乎不引入（<4.45%）運(yùn)行時(shí)分析開(kāi)銷的情況下，能夠節(jié)約51.0%重排序開(kāi)銷和52.3%執(zhí)行軌跡文件大小。
　　綜上所述，圍繞多線程程序動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的不當(dāng)鎖同步現(xiàn)象，從基礎(chǔ)研究（即多線程鎖同步運(yùn)行時(shí)特征研究）和擴(kuò)展研究（