本文選題：多核系統(tǒng)　切入點(diǎn)：性能　出處：《復(fù)旦大學(xué)》2014年碩士論文　論文類(lèi)型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的飛速發(fā)展,單個(gè)處理器性能的增長(zhǎng)已經(jīng)遇到了瓶頸,處理器個(gè)數(shù)的增長(zhǎng)成為了提高單個(gè)計(jì)算機(jī)性能的主要發(fā)展方向。處理器個(gè)數(shù)的增長(zhǎng)給應(yīng)用程序的性能提升帶來(lái)了新的機(jī)遇,也帶來(lái)了性能和正確性上的挑戰(zhàn)。為了充分的利用這些處理器資源,操作系統(tǒng)和計(jì)算密集型的應(yīng)用正在向并行化的模型演進(jìn)。在一個(gè)并行的系統(tǒng)中,多個(gè)任務(wù)之間往往需要共享一些信息以進(jìn)行協(xié)同工作。為了使得多個(gè)任務(wù)可以正確有序的訪問(wèn)這些共享信息,并行程序采用同步的方法對(duì)不同任務(wù)的訪問(wèn)進(jìn)行控制和限制,使得對(duì)每一個(gè)單獨(dú)的任務(wù)來(lái)說(shuō),這些共享信息都維持著某種一致性。錯(cuò)誤的使用同步可能會(huì)導(dǎo)致并行程序的錯(cuò)誤或者影響其執(zhí)行的性能,設(shè)計(jì)一個(gè)易于正確使用,而又具有良好性能的同步原語(yǔ)是一個(gè)十分重要的問(wèn)題。一個(gè)理想的同步原語(yǔ)應(yīng)該具有定義清晰的較強(qiáng)的語(yǔ)義保證,同時(shí)又盡量不影響應(yīng)用在多核系統(tǒng)上的可伸縮性。讀寫(xiě)鎖是一種在語(yǔ)義上非常清晰的同步機(jī)制,它將對(duì)共享狀態(tài)的訪問(wèn)者分為讀者和寫(xiě)者兩個(gè)類(lèi)別,在同一時(shí)刻,僅允許一個(gè)寫(xiě)者進(jìn)入臨界區(qū)更新共享狀態(tài),或允許多個(gè)讀者同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)讀取共享狀態(tài)。因?yàn)槠湟子诶斫獾恼Z(yǔ)義,讀寫(xiě)鎖在操作系統(tǒng)內(nèi)核以及并行應(yīng)用程序中得到了廣泛的應(yīng)用。理論上說(shuō),因?yàn)樽x寫(xiě)鎖中的不同的讀者并沒(méi)有邏輯上的依賴(lài),多個(gè)讀者在沒(méi)有寫(xiě)者的情況下應(yīng)該可以快速的進(jìn)入和離開(kāi)臨界區(qū),并且不需要相互通信。事實(shí)上,現(xiàn)有的讀寫(xiě)鎖設(shè)計(jì)中,往往讀者獲取鎖時(shí)要產(chǎn)生相互通信,或者使用昂貴的內(nèi)存屏障指令確保同步的正確性。這些設(shè)計(jì)限制了使用讀寫(xiě)鎖的并行系統(tǒng)中讀者的可伸縮性和吞吐量。針對(duì)讀寫(xiě)鎖的潛在性能問(wèn)題,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)高可伸縮的讀寫(xiě)鎖算法PRWLock,這一算法巧妙利用了現(xiàn)代多核系統(tǒng)較短的內(nèi)存寫(xiě)可見(jiàn)時(shí)間以及較小的核間中斷開(kāi)銷(xiāo),在滿足TSO內(nèi)存一致性模型的系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)了不需要共享信息以及內(nèi)存屏障的讀者鎖,同時(shí)保證了寫(xiě)者鎖可接受的性能。我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),在現(xiàn)代主流操作系統(tǒng)中的睡眠,喚醒機(jī)制會(huì)對(duì)同步機(jī)制的可伸縮性造成限制。當(dāng)多個(gè)因?yàn)槟骋粭l件而進(jìn)入睡眠的任務(wù)的喚醒條件達(dá)到時(shí),喚醒操作是由單一任務(wù)串行完成的。針對(duì)這一問(wèn)題,我們?cè)O(shè)計(jì)了操作系統(tǒng)中可以并發(fā)的喚醒睡眠任務(wù)的機(jī)制PWake,并將其與PRWLock相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了可伸縮性更好的讀寫(xiě)同步機(jī)制。為了驗(yàn)證這兩種機(jī)制的有效性,我們?cè)贚inux的內(nèi)核和用戶態(tài)分別實(shí)現(xiàn)了PRWLock,并結(jié)合了PWake喚醒機(jī)制。我們將PRWLock應(yīng)用在了Linux內(nèi)核的地址空間管理機(jī)制上和一個(gè)用戶態(tài)的內(nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)中,多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明PRWLock具有同前人研究成果相似或更好的性能特性,并且更加易于部署到現(xiàn)有并行系統(tǒng)中。
[Abstract]:With the rapid development of computer hardware technology, the performance of a single processor has met with a bottleneck. The increase in the number of processors has become the main development direction for improving the performance of a single computer, and the increase in the number of processors has brought new opportunities for improving the performance of applications. It also presents performance and correctness challenges. In order to take full advantage of these processor resources, operating systems and computationally intensive applications are evolving to parallel models. In order to enable multiple tasks to access the shared information correctly and orderly, parallel programs use synchronous methods to control and restrict access to different tasks. For each individual task, this shared information maintains some consistency. The wrong use of synchronization can lead to errors in parallel programs or affect their performance, and design a design that is easy to use correctly. The synchronization primitive with good performance is a very important problem. An ideal synchronization primitive should have clear definition and strong semantic guarantee. Read and write locks are a semantically clear synchronization mechanism that classifies shared state visitors into two categories, reader and writer, at the same time. Only one writer is allowed to enter the critical area to update the shared state, or multiple readers are allowed to enter the critical section at the same time to read the shared state. Read-write locks are widely used in operating system kernels and parallel applications. In theory, because different readers in read-write locks do not have logical dependencies, Multiple readers should be able to quickly enter and leave the critical area without a writer and do not need to communicate with each other. Or use expensive memory barrier instructions to ensure the correctness of synchronization. These designs limit reader scalability and throughput in parallel systems using read-write locks. We design a highly scalable read-write lock algorithm, PRWLock. this algorithm makes good use of the shorter memory write visible time and the lower inter-core interrupt cost of modern multi-core system. Reader locks that do not require a shared information and memory barrier are implemented on systems that satisfy the TSO memory consistency model, while ensuring the acceptable performance of the writer lock. The wake-up mechanism limits the scalability of the synchronization mechanism. When the wake-up conditions for multiple tasks entering sleep due to a given condition are met, the wakeup operation is done serially by a single task. In order to verify the effectiveness of the two mechanisms, we have designed a mechanism for concurrent wake-up of sleep tasks in the operating system, PWake. and combined it with PRWLock to achieve a more scalable read / write synchronization mechanism. We have implemented PRW locklock in Linux kernel and user state, and combined with PWake wake-up mechanism. We have applied PRWLock to address space management mechanism of Linux kernel and a memory database in user state. Many experiments show that PRWLock has similar or better performance characteristics than previous studies, and it is easier to deploy to existing parallel systems.
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TP332

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本文編號(hào)：1606329