【大学课件】基于多核的并行程序设计

第四章Windows多线程编程及调优->web课件返回在Windows平台下可以通过Windows的线程库来实现多线程编程，可以利用Win32 API或MF C以及.Net Framework提供的接口来实现。

实现方式的多样化给Windows编程带来了很大的灵活性，但也使得多线程编程变得复杂。

对于多线程的程序我们可以使用Visual Studio调试工具进行调试，也可以使用多核芯片厂家的线程分析与调试工具进行调试及优化。

Windows线程库介绍Win32 API是Windows操作系统为内核以及应用程序之间提供的接口，将内核提供的功能进行函数封装，应用程序通过调用相关的函数获得相应的系统功能。

Win32 API提供了一系列处理线程的函数接口，来向应用程序提供多线程的功能。

MFC是微软基础函数类库(Microsoft Foundation Classes)，由微软提供的，用类库的方式将Wi n32 API 进行封装, 以类的方式提供给开发者。

在MFC类库中，提供了对多线程的支持。

由于MF C是在Win32 API 基础之上进行封装的，其基本原理与Win32 API的基本实现原理很类似。

MFC 对同步对象作了封装，因此对用户编程实现来说更加方便。

.NET Framework由两部分构成：公共语言运行库（Common Language Runtime ，CLR）和Fra mework类库（Framework Class Library ，FCL）。

CLR包括自己的文件加载器、垃圾收集器、安全系统等。

CRL提供了一个可靠而完善的多语言运行环境。

CLR是一个软件引擎，用于加载应用程序、检查错误、进行安全许可认证、执行和清空内存。

Framework类库提供了所有应用程序模型都要使用的一个面向对象的API集合。

.NET 基础类库的System.Threading命名空间提供了大量的类和接口来支持多线程。

2 threads can be executed at the same time (per processor) if they’re not competing for the same execution resource

11

Single core , With HT
point threads in a P4P architecture)
• Ex 2: 一个integer线程与一个floating point线程
– 性能大幅度提升 – 没有资源冲突

10

Single core , With HT
( Eg. Pentium 4 Processor With HT )
Integer and Floating Point Threads
State State Execution Cache Bus
2 Threads 1 Package

State Execution
Cache Bus
State Execution
Cache Bus
2 Threads 2 Packages
8
State Execution
4

为什么要采用多核技术？

5

最终目标: 提升用户的体验
• 摩尔定律 —— 不断发展和改进处理器的性能
• 最大限度地利用越来越多的晶体管
– 实现最优的价值 – 缩减处理时间，提高计算能力 – 开发平台的新特性和新功能

BTB & I-TLB Decoder
Trace Cache
Floating Point
uCode ROM

2 threads CANNOT be executed at the same time (per processor) if

14
▪ 示例
临界区(1)
怎么办？
int Global_Sum;
CRITICAL_SECTION g_cs;
此程序段为包含共享数
DWORD WINAPI threadFunc(LPVOID arg) 据Global_Sum的一段代
{
码，称为临界区。多个
int mySum=bigCompute();
线程同时运行，有可能
➢进程内的多个线程可以对同一 个内存单元进行读和写操作， 所以必须要采取显式同步机制。
➢ 在同一个进程的地址空间下， 线程间的通信消耗更小。
一个进程内的线程示例
可编辑课件PPT
8
线程的状态
▪ 线程的状态
➢ 就绪（ready）：线程等待可用的处理器。 ➢ 运行（running）：线程正在被执行。
➢ 阻塞（blocked）：线程正在等待某个事件的发生（比如I/O 的完成，试图加锁一个被上锁的互斥量）。
程是被调度执行的基本单元。 栈
栈
栈
▪ 线程自己不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源， 但它可与同属一个线 进程 程的其它线程共享进程所拥有的全线 程部资源。
▪ 线程是程序中一个单一的顺序控制流程。在单个程序中同时运行 多个线程完成不同的工作，称为多线程。
可编辑课件PPT
6
进程与线程的关系
某个最大值之间的任意数。如果Semaphore的现值为1，表示还 有一个锁定动作可以成功。如果现值为5，就表示还有五个锁定 动作可以成功。 ➢ 信号量状态在其计数>0时有信号，即当前资源的数量>0，信号 量有效。 ➢ 0时无信号，即当前资源的数量是0，信号量无效。 ➢ 系统不允许当前资源的数量为负值，即不能在信号量为负的情况 下执行任务。V操作时也不能超过最大值。 ➢ 核心对象，可以跨进程访问。

执行路径相互独立的执行路径。操作系统的工作 就是讲软件线程映射到硬件执行资源上。 • 每个线程有自己的：
– 堆栈指针 – 寄存器 – 调度策略（如优先级） – 线程自有数据 – ····
对于在一个进程内的线程：
•一个线程对共享的系统资源进行修 改，其它这个进程内的其它线程也可 以见到这种修改。
•对于同一个数据，可能有两个值相 同的指针指向这个数据。
操作系统内部的线程
• 操作系统被分为两个截然不同的层次：
– 用户级（运行应用程序的层次） – 内核级（系统行为发生的层次）
• 内核级是操作系统的核心，维护着大量用于追踪 进程和线程的表格。
• 内核级线程能够提供更高的性能。并且同一进程 中的多个内核线程能够同时在不同的处理器或者 执行核上执行。
• 如OpenMP，PThread等线程库用内核级线程。
•进程内的多个线程可以对同一个内 存单元进行读和写操作，所以必须要 采取显式同步机制。
•在同一个进程的地址空间下，线程 间的通信消耗更小。
一个进程内的线程示例
进程与线程
• 程序在操作系统中作为进程 方式存在、获取资源、运行。
• 在一个进程内，线程可以创 建其它线程。每个线程有各 自的栈(stack)。
– 进程ID，进程组ID，用户ID，组ID； – 环境 – 工作目录 – 程序指令 – 寄存器 – 堆栈（Stack） – 堆（Heap） – 文件描述符 – 信号操作 – 共享库 – 进程间通信工具
• 消息队列、管道、信号量、共享内存
UNIX下进程示例
1.1 基本概念－－线程(thread)
• 是一些相关指令的离散序列。 • 从硬件资源上讲，线程就是一条与其它硬件线程
– 利用编译器指导（Compiler-directed） • 自动并行, OpenMP, Intel Threading Building Blocks等