多核并行编程方法

在多核的硬件结构中，如果要充分发挥硬件的性能，必须采用多线程（或多进程）执行，以提高CPU的利用率。多核系统的编程模型和多个CPU的SMP系统的编程模型是一致的，都属于共享存储的编程模型；同时，多核环境中也可以使用的分布式编程模型。

目前，多核并行编程方法可以分为以下四类：基于Raw Thread API的方法、基于共享内存编程模型的方法、基于高层次模板库的方法、基于分布式编程的方法。

（1）基于Raw Thread API的方法：这种方法主要使用系统底层API来进行多线程编程。Windows Threads和POSIX threads都属于使用系统底层API[2,3]，是最低层次的并行编程API，不同点是Windows threads应用于Windows平台,有Win32这样一个完整的库支持,相对较为成熟,而POSIX threads主要用于UNIX/Linux平台,但编程难度相当大。这些系统底层Raw Thread API是非常强大的并行程序设计工具，它将巨大的潜能交到了程序员手中。但是，这种编程方法会遭遇上一节所提到的问题。

（2）基于共享内存编程模型的方法：共享内存编程模型中最有代表性的是OpenMP，它可以帮助程序快速创建线程，解决多核编程中面临的问题。OpenMP形成于1997年,用于编写可移植的多线程应用程序，起初只是一个Fortran标准,后来又发展到C/C++,目前在Intel C++ Compiler和Microsoft VS2005以及更高版本等编译器上都得到了广泛支持。虽然，OpenMP简单易用，但是它限制了程序员对并行的控制，限定了所提供信息的数量，例如OpenMP没有动态线程调度机制、伸缩性的内存分配器、内嵌式并行程序、并发的数据结构等。当“少许并行”就足够时，使用OpenMP会比较方便。[4-6]

（3）基于高层次模板库的方法：这类方法具有面向对象的特征，基于模板技术构建了丰富的线程控制和并行计算的模板库。Java Threads是所有能显示支持并行的程序设计语言中使用最广泛的。在它的核心，提供了与POSIX Threads相同的概念特性，并且支持并发数据结构。Threading Building Blocks是由Intel针对多核平台开发的一组开源的C++的模板库,基于GPLv2开源证书,支持可伸缩的并行编程。它不需要特别的语言或者编译器的支持,因此可以广泛地被用于任何处理器、任何操作系统以及任何编译器。

使用这种方法进行多线程编程，程序员不需要将过多的精力放到同步、负载平衡、缓存优化等等的问题上,而能够轻松地实现自动调度的并行程序,使得CPU的多个核心处于高效运转之中。但是，这需要程序员熟练掌握这种开发工具。[7,8]

（4）基于分布式编程的方法：多核环境中可以使用分布式的消息传递编程模型，Intel的编译器就支持在多核环境中使用MPI编程。但是，在多核环境中使用消息传递编程会带来性能上的损失，并且不是所有的共享数据类型都适用消息传递模型来解决,例如，查找算法在多核中就不适用。[1,9]

 

 

[1]      周伟明. 多核计算与程序设计. 武汉:华中科技大学出版社,2009年3月.

[2]      Calvin Lin, Lawrence Snyder. 并行程序设计原理[M]. 北京:机械工业出版社, 2008年2月.

[3]      Jim B,Robert W. Win32多线程程序设计. 侯捷译. 武汉:华中科技大学出版社,2002年.

[4]      OpenMP官网. http://openmp.org/wp/.

[5]      Jin H,Frumkin M,Yan J.The OpenMP implementation of NAS parallel benchmarks and its performance.NAS Technical Report NAS-99-011, October 1999.

[6]      陈永健，OpenMP编译与优化技术研究，北京:清华大学，2004年.

[7]      胡斌，袁道华. TBB多核编程及其混合编程模型研究. 计算机技术与发展，2009年，第2期.

[8]      Intel公司.Intel Threading Building Blocks reference manual. 2007.

       http://threadingbuildingblocks.org/.

[9]      Michael J Q. 并行程序设计C、MPI与OpenMP. 北京:清华大学出版社,2005.