面向多線程應(yīng)用的虛擬機VCPU調(diào)度與分配研究.pdf

1、隨著多核技術(shù)的迅猛發(fā)展和多核處理器的迅速普及，計算機的并行處理能力日益增強。為了充分利用硬件效能，程序設(shè)計者已經(jīng)把多線程程序設(shè)計作為主要編程范型。線程間同步以及線程在共享Cache上的數(shù)據(jù)重用是決定多線程應(yīng)用性能的兩個關(guān)鍵因素，由于處理器的調(diào)度決定直接影響著同步性能的優(yōu)劣以及數(shù)據(jù)重用的實現(xiàn)，因而面向多線程應(yīng)用的處理器調(diào)度與分配必然成為一個研究熱點。隨著虛擬化系統(tǒng)因其易管理、高物理資源利用率、低能耗等優(yōu)點而逐漸成為云計算/企業(yè)數(shù)據(jù)中心的主

2、流基礎(chǔ)架構(gòu)，多線程應(yīng)用以虛擬機作為主要運行環(huán)境的趨勢已不可避免。
　　然而，在虛擬化系統(tǒng)中，由于語義縫隙的存在以及兩級調(diào)度器的非協(xié)同性，現(xiàn)有的調(diào)度與分配策略或機制難以提供對多線程性能需求的支持，此外，多核處理器的多樣化存儲結(jié)構(gòu)、性能不對稱性等更增加了問題的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性，因此，面向多線程應(yīng)用的虛擬機VCPU（Virtual CPU,虛擬CPU）調(diào)度與分配研究具有重要的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用價值。
　　面向多線程應(yīng)用的虛擬機VCPU調(diào)

3、度和分配的核心問題包括：多線程應(yīng)用在虛擬化系統(tǒng)二級調(diào)度框架下有怎樣的性能表現(xiàn)、如何建立有效的VCPU的調(diào)度和分配策略或機制來實現(xiàn)良好的同步性能以及如何建立有效的VCPU的調(diào)度和分配策略或機制來實現(xiàn)線程在共享Cache上的數(shù)據(jù)重用，它們是多線程應(yīng)用運行在虛擬化系統(tǒng)中的基礎(chǔ)問題，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)界至今沒有有效地解決。面向多線程應(yīng)用的VCPU調(diào)度與分配是一個富有挑戰(zhàn)性的開放性課題。
　　針對上述核心問題，面向多線程應(yīng)用的VCPU調(diào)度與分配問

4、題分析首先從虛擬化系統(tǒng)架構(gòu)入手，深入討論VCPU調(diào)度與分配問題的復(fù)雜性及其產(chǎn)生原因，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合多線程應(yīng)用的性能需求，提出面向多線程應(yīng)用的VCPU調(diào)度與分配所面臨的主要問題和挑戰(zhàn)。
　　非均勻VCPU-PCPU（Physical CPU，物理CPU）映射的性能分析面向解析虛擬化系統(tǒng)中多線程應(yīng)用在非均勻VCPU-PCPU映射下的性能表現(xiàn)，首先分析非均勻VCPU-PCPU映射的產(chǎn)生原因，并通過形式化定義明確指出導(dǎo)致映射非均勻性的

5、幾個主要因素，然后通過實驗手段對多線程應(yīng)用在非均勻VCPU-PCPU映射存在時的性能表現(xiàn)進行量化分析，實驗結(jié)果顯示多線程應(yīng)用在非均勻VCPU-PCPU映射下性能具有不可預(yù)見性，而導(dǎo)致性能不可預(yù)見性的根源在于不合理的VCPU調(diào)度與分配以及應(yīng)用程序的自身結(jié)構(gòu)，基于性能分析的啟示，提出了面向均勻的VCPU-PCPU映射以及基于性能可擴展性的處理器分配原則或方法。
　　鎖感知的VCPU調(diào)度機制面向解決虛擬化系統(tǒng)中鎖持有者搶占的頻繁發(fā)生導(dǎo)致

6、同步性能損害的問題，首先通過實驗手段分析VCPU過量提交、調(diào)度時間片大小以及多線程應(yīng)用特性與自旋鎖性能的關(guān)系，然后提出鎖感知的VCPU調(diào)度機制LSM，LSM的核心是一種新穎的調(diào)度策略——時間預(yù)借調(diào)度策略。時間預(yù)借調(diào)度策略融合了現(xiàn)有的安全點搶占策略與自旋強制搶占策略的優(yōu)點，同時比已有的組調(diào)度策略具有更好的適應(yīng)性，能夠有效地解決虛擬化系統(tǒng)中自旋鎖性能損害問題。實驗表明，與現(xiàn)有的幾種典型的解決途徑比較，在各種調(diào)度時間片取值情況下，LSM都具有

7、更優(yōu)的性能，尤其當(dāng)調(diào)度時間片長度取值較大時，性能優(yōu)勢更顯著。
　　基于邏輯劃分的處理器分配策略以實現(xiàn)虛擬化系統(tǒng)中多線程在共享Cache上的數(shù)據(jù)重用為主要目標(biāo)，提出一種新穎的基于邏輯劃分的處理器動態(tài)分配策略CDLP，并設(shè)計了初始狀態(tài)處理器分配算法、負(fù)載平衡算法、新的虛擬機加入時的處理器重新分配算法、處理器回收算法以及虛擬機退出時的處理器重新分配算法。CDLP有效地實現(xiàn)了多線程在共享Cache上的數(shù)據(jù)重用及處理器資源的充分利用，為了測