进入多核时代的C++

 

本文介绍了多核时代下C++遇到的问题以及应对手段，最后简单介绍了怎样使用Intel Thread Building Blocks来让C++充分利用多核CPU的处理能力。

几年之前，CPU的性能还主要取决于CPU的主频，经过超摩尔定律的发展后，没过多长时间CPU的主频速度就已接近“极限”，使得单单靠提高CPU的主频来提升性能变得非常困难。
    目前，Intel、AMD等CPU生产商都转而采用了多核技术来提升CPU性能，甚至提出了群核CPU的概念。这意味着，要充分发挥多核CPU的性能，程序就必须采用多线程并发计算的方式，传统的串行程序将会极大地浪费多核CPU的运算能力！

    C++是上世纪80年代诞生的语言，它的前身是同样风靡全球的C语言。一直以来它都以代码效率卓越著称，进入多核时代后，因为C++标准库没有提供多线程支持，要用C++开发出充分利用多核CPU的程序将面临很大挑战。
    于是，在C++社区出现了不少优秀的库以支持并行编程，如各种跨平台的线程库，OpenMP，Clik++等。另一方面，微软也从Win2K开始不断地加入线程池API（如QueueUserWorkItem），C++09标准也明确地表示要加入多线程的支持。

    使用线程库编写并行程序的优点是可以精确调度各个线程，并且可以在所有C++编译器里使用。不过要充分发挥多核CPU的性能，还要考虑很多因素，主要难点有：

• 死锁    编写多线程必然会遇到同步问题，如果同步控制出现问题，就可能出现死锁或脏数据。
• 线程之间通信    使用何种机制在多个线程之间通信？即要保证通信数据同步又要保证效率。
• 负载平衡    分配到每个线程的工作量要尽量平衡，避免一个线程忙一个线程闲的情形发生。
• 资源匹配    程序应该使用多少个线程？过少的线程不能充分利用CPU的多核优势，而过多的线程会造成线程调度过于频繁同样会降低效率。

    OpenMP是目前比较流行的C++并行编程方式，它通过在代码中插入专用的pragma编译指令来指示编译器把串行代码编译成并行程序。
    它的优点是易于使用，几乎不用修改原代码就可对老程序进行并发支持的改造。问题是它必须要有编译器的支持，尽管目前不少编译器都提供了OpenMP的支 持，但它毕竟不是C++的一部分，甚至它都不是真正意义上的C++库。使用OpenMP的C++代码看上去总是有些怪异（个人观点^_^）。

    现在，我们又有了一个新选择：Intel Thread Building Blocks（TBB，线程构建模块）。TBB是一个开源的C++模板库，能够运行在 Windows、Linux、Macintosh以及UNIX等系统上，只要是标准的C++编译器都可以使用它。

    TBB的功能和优势

功能 优势

基于任务的并行化	在逻辑任务而非物理线程的角度来指定线程功能 让开发者关注更高层的可扩展任务级模式而非底层的线程机制 使用被证实可有效利用多内核的数据分解提取技术 自动负载平衡 高效地支持嵌套并行化，允许从一个并行组件中建立出一个新的并行组件
并行算法	从库中选择高效并行算法模板，即可快速地获得多核处理器带来的优势。 快速应用为并行性能及可量测性而设计的算法。 范型模板让你轻易地把它们定制成你所需要的算法。 支持简单插件部署到应用中提升软件速度，优化内核和本地缓存。 依靠预置的并行结构，在很多情况下都能减少生产多线程软件的工作量。
跨平台支持	编写一次应用就可以部署到多个操作系统中。 为32位和64位的Windows*、Linux* 和 Mac OS* X 平台提供一种解决方案。 支持Intel、Microsoft及GNU的业界领先的编译器。 加快在多种多核平台中部署应用软件的速度。
程序库级解决方案	只需花费很小的精力就可得到高优化的并行功能。 你的 C++ 应用程序只需调用Intel Threading Building Blocks 库。 标准 C++ - 不需要使用新语言重写代码。 兼容其它线程包。 可无限制地和你的软件一起分发运行时库。 无缝整合到已有的开发环境中。
高并发容器	优化处理器的能力实现任务并发 使用线程安全并且高并发的接口简化多线程应用的开发。 使用预测试的数据结构提升应用软件质量。 更高效率的内核或处理器多路执行来提升应用软件性能。