Amdahl 定律 (阿姆达尔定律)

有些问题使用越多的资源就能越快地解决——越多的工人参与收割庄稼，那么就能越快地完成收获。另一些任务根本就是串行化的——增加更多的工人根本不可能提高收割速度。如果我们使用线程的重要原因之一是为了支配多处理器的能力，我们必须保证问题被恰当地进行了并行化的分解，并且我们的程序有效地使用了这种并行的潜能。

大多数并发程序都与农耕有着很多相似之处，由一系列并行和串行化的片断组成。Amdahl定律描述了在一个系统中，基于可并行化和串行化的组件各自所占的比重，程序通过获得额外的计算资源，理论上能够加速多少。如果F是必须串行化执行的比重，那么Amdahl定律告诉我们，在一个N 处理器的机器中，我们最多可以加速：

当N 无限增大趋近无穷时，speedup 的最大值无限趋近1/F ，这意味着一个程序中如果50%的处理都需要串行进行的话，speedup 只能提升2倍（不考虑事实上有多少线程可用）；如果程序的10%需要串行进行，speedup 最多能够提高近10倍。Amdahl定律同样量化了串行化的效率开销。在拥有10个处理器的系统中，程序如果有10%是串行化的，那么最多可以加速5.3倍（53％的使用率），在拥有100个处理器的系统中，这个数字可以达到9.2（9％的使用率）。这使得无效的CPU利用永远不可能到达10倍。

图11.1展示了随着串行执行和处理器数量变化，处理器最大限度的利用率的曲线。随着处理器数量的增加，我们很明显地看到，即使串行化执行的程度发生细微的百分比变化，都会大大限制吞吐量随计算资源增加。

第6章探究了如何识别逻辑边界，从而把应用程序分解为不同的任务。但是为了在多处理器系统中预知你的程序是否存在加速的可能性，你同样需要识别你的任务中串行的部分。

 

图11.1  Amdahl定律中不同串行化的百分比，带来的最大的效能

清单11.1中，假设应用程序中N 个线程正在执行doWork，从一个共享的工作队列中取出任务，并处理；假设这里的任务并不依赖其他任务的结果或边界效应。忽略任务进行队列操作的时间，如果我们增加处理器，应用程序会随之发生什么样的改进呢?乍看这个程序可能完全由并行任务组成，并不会相互等待，那么处理器越多，更多的任务就越可能并发处理。然而，其中也包含串行组件——从队列中获取任务。所有工作者线程都共享工作队列，因此它会需要一些同步机制，从而在并发访问中保持完整性。如果通过加锁来守卫队列状态，那么当一个线程从队列中取出任务的时候，其他线程想要取得下一个任务就必须等待——这便是任务处理中串行的部分。

单个任务的处理时间不仅包括执行任务Runnable的时间，也包括从共享队列中取出任务的时间。如果工作队列是LinkedBlockingQueue类型的，这个取出的操作被阻塞的可能性小于使用同步的LinkedList的阻塞可能，这是因为LinkedBlockingQueue使用了更具伸缩性的算法，但是访问所有共享的数据结构，本质上都会向程序引入一个串行的元素。

这个例子同样忽略了另一个的相同的串行源（source of serialization）：结果处理。所有有用的计算都产生一些结果集或者边界效应——如果不是，它们可以当作死代码（dead code）被遗弃掉。因为Runnable没有提供明确的结果处理，这些任务必须具有一些边界效应，设定把它们的结果写入日志还是存入一个数据结构。日志文件和结果容器通常由多

清单11.1  串行访问任务队列

 

public class WorkerThread extends Thread {
private final BlockingQueue<Runnable> queue;
public WorkerThread(BlockingQueue<Runnable> queue) {
this.queue = queue;
}
public void run() {
while (true) {
try {
Runnable task = queue.take();
task.run();
} catch (InterruptedException e) {
break; /* 允许线程退出 */
}
}
}
}

 

个工作者线程共享，并且因此成为了同源的串行部分。如果不是每个线程各自维护自己的结果的数据结构，而是在所有任务都执行完成后合并所有的结果，这最终的合并就成为了一个串行源。