多核平臺(tái)上支持推測(cè)并行化的事務(wù)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化.pdf

1、隨著多核平臺(tái)的普及，如何利用多核加速串行應(yīng)用的執(zhí)行已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的熱點(diǎn)研究問(wèn)題。而傳統(tǒng)的顯式鎖同步機(jī)制自身就有著高復(fù)雜性、易錯(cuò)性和性能保守等天然缺陷，從根本上限制了并行程序的可擴(kuò)展性和編程效率，也限制了對(duì)多核資源的充分利用。為了開(kāi)發(fā)更多的多核結(jié)構(gòu)上可利用的線程級(jí)并行性，利用事務(wù)存儲(chǔ)(Transactional Memory，TM)技術(shù)來(lái)解決并行程序正確性維護(hù)給并行編程帶來(lái)的復(fù)雜性和對(duì)性能的制約問(wèn)題，已成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的共

2、識(shí)。本文從有效開(kāi)發(fā)應(yīng)用中的線程級(jí)并行性入手，著眼于高效能、易編程和可兼容這三個(gè)目標(biāo)，通過(guò)軟硬件協(xié)同的優(yōu)化方式對(duì)支持推測(cè)并行化的多核事務(wù)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)展開(kāi)深入研究，使之既能提高多核芯片片上計(jì)算資源的有效利用率，又能有效降低并行編程難度，平滑移植傳統(tǒng)應(yīng)用軟件。
　　 本文從線程劃分和線程執(zhí)行兩個(gè)方面，對(duì)軟硬件協(xié)同支持推測(cè)并行化的多核事務(wù)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化開(kāi)展了深入系統(tǒng)的研究，涉及結(jié)構(gòu)模型、編程模型、性能分析模型、離線剖析指導(dǎo)線程劃分

3、機(jī)制和在線剖析指導(dǎo)線程執(zhí)行機(jī)制等方面的內(nèi)容。主要研究?jī)?nèi)容和成果包括：(1)對(duì)兩樸主流線程級(jí)推測(cè)并行技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了詳細(xì)而深入的調(diào)研，通過(guò)對(duì)其軟硬件支持機(jī)制的分析與比較，提出了一種新型的軟硬件協(xié)同支持推測(cè)并行化的多核事務(wù)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)在線程劃分中采用軟件線程級(jí)推測(cè)技術(shù)思想，而在線程執(zhí)行時(shí)采用硬件事務(wù)存儲(chǔ)技術(shù)支持，并通過(guò)離線剖析和在線剖析技術(shù)來(lái)協(xié)同各種軟硬件因素，達(dá)到了同時(shí)提高程序性能和降低并行編程難度的雙重目標(biāo)。(2)在

4、軟件線程劃分方面，從簡(jiǎn)化并行編程和提高并行執(zhí)行性能的優(yōu)化角度出發(fā)，提出了一套線程級(jí)推測(cè)并行性的判定準(zhǔn)則、研究方法和剖析機(jī)制，確定了利用離線剖析技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)基于事務(wù)存儲(chǔ)的線程劃分方案。并依據(jù)該機(jī)制設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套線程級(jí)推測(cè)并行性離線剖析工具集OpenPro。(3)利用OpenPro工具集，對(duì)桌面應(yīng)用、多媒體應(yīng)用和高性能計(jì)算應(yīng)用中影響線程級(jí)推測(cè)并行性的關(guān)鍵因素進(jìn)行剖析，從應(yīng)用本身并行潛能的角度進(jìn)行探討，獲得了諸如單個(gè)程序僅能有效利用16核的計(jì)

5、算資源是當(dāng)前多核技術(shù)路線的拐點(diǎn)等一些重要認(rèn)識(shí)。(4)在線程執(zhí)行支持機(jī)制方面，從可擴(kuò)展性好和易于硬件實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)優(yōu)化目標(biāo)出發(fā)，提出了一種支持優(yōu)先級(jí)判定的基于目錄的高速緩存一致性協(xié)議，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和完成了一種利用運(yùn)行時(shí)庫(kù)機(jī)制同時(shí)支持線程級(jí)推測(cè)和事務(wù)存儲(chǔ)語(yǔ)義的分布式可擴(kuò)展多核事務(wù)存儲(chǔ)處理器PTT硬件模擬器。該處理器設(shè)計(jì)突破了以往類似方案中總線等集中式結(jié)構(gòu)對(duì)硬件系統(tǒng)可擴(kuò)展性的限制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了可擴(kuò)展性好和易于硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)；而這套采用積極版

6、本管理和積極檢測(cè)機(jī)制的分布式硬件事務(wù)存儲(chǔ)機(jī)制會(huì)自動(dòng)維護(hù)硬件系統(tǒng)的一致性，極大地減少了程序員在進(jìn)行并行程序設(shè)計(jì)時(shí)的繁雜工作和復(fù)雜程度。這對(duì)于普及并行程序設(shè)計(jì)，提高并行程序生產(chǎn)力都有著非常重要的意義。(5)提出了一種針對(duì)線程級(jí)推測(cè)并行技術(shù)的PCL性能分析模型，并依據(jù)該模型提出了將在線剖析技術(shù)引入PTT硬件模擬平臺(tái)的最終優(yōu)化方案。同時(shí)通過(guò)對(duì)PTT系統(tǒng)多種軟硬件手段實(shí)現(xiàn)機(jī)制的分析與協(xié)同，分別從正確性、有效性和靈活可配置性三個(gè)層次對(duì)其進(jìn)行了充分的

7、評(píng)測(cè)和分析。
　　 本文的研究工作獲得了如下一些重要的認(rèn)識(shí)：(1)將線程級(jí)推測(cè)技術(shù)與事務(wù)存儲(chǔ)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，通過(guò)軟硬件因素的合理協(xié)調(diào)，可以有效地開(kāi)發(fā)出串行程序中潛在的線程級(jí)并行性，同時(shí)有效地降低并行編程的難度，極大地提高并行程序設(shè)計(jì)生產(chǎn)力。(2)在目前以傳統(tǒng)超標(biāo)量單核構(gòu)造多核芯片的技術(shù)路線下，著眼于同時(shí)兼顧硬件的有效利用率和盡可能挖掘程序中固有的并行性，在加速單個(gè)串行應(yīng)用時(shí)，部分依賴嚴(yán)重的應(yīng)用(如SPEC和一些依賴嚴(yán)重的科學(xué)計(jì)算程

8、序等)采用2-4核就已經(jīng)足夠；而多數(shù)多媒體應(yīng)用和高性能計(jì)算應(yīng)用采用8-16核來(lái)加速比較合適；一些特別適合的應(yīng)用則可以有效利用64-128核及以上的計(jì)算資源。(3)雖然現(xiàn)在線程級(jí)推測(cè)并行技術(shù)在桌面應(yīng)用這樣一些程序中數(shù)據(jù)依賴嚴(yán)重的應(yīng)用中效果不佳，但在部分擁有大計(jì)算量、推測(cè)線程粒度適中并且存在模糊依賴的多媒體和高性能計(jì)算應(yīng)用中還是適宜采用的。線程級(jí)推測(cè)并行技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是其兼容性與易編程性，只要在這兩點(diǎn)上做好文章，實(shí)現(xiàn)多數(shù)經(jīng)典應(yīng)用軟件到多核平