美國服務器目前主流的Linux系統主機都是馮諾依曼架構，即共享內存的計算模型，這種過程計算模型對并行計算并不友好。這種美國服務器架構中，有如下設計特點：

1）多個美國服務器CPU核改善處理器的計算處理能力

2）多級cache改善美國服務器CPU訪問主存的效率

3）各個CPU都有本地內存(NUMA(非一致性內存訪問))，進一步改善CPU訪問主存的效率

4）store buffer模塊改善cache write由于應答延遲而造成的寫停頓問題

5）invalidate queue模塊改善使無效應答的時延，把使無效命令放入queue后就立即發送應答

6）外設DMA支持直接訪問主存，改善美國服務器CPU使用效率

這些硬件體系設計特點也引入很多問題，最大的問題就是cache一致性問題和亂序執行問題。cache一致性問題由cache一致性協議MESI解決，MESI由硬件保證，對軟件來說是透明的。

MESI協議保證所有CPU對單個cache line中單個變量修改的順序保持一致，但不保證不同變量的修改在所有CPU上看到的是相同順序。這就造成了亂序。不僅如此，亂序的原因還有很多：

1）store buffer引起的延遲處理，會造成亂序

2）invalidate queue引起的延遲處理，會造成亂序

3）編譯優化，會造成亂序

4）分支預測、多流水線等CPU硬件優化技術，會造成亂序

5）外設DMA，會造成數據亂序

這種情況造成，就連簡單的++運算操作的原子性都無法保證，而這些問題必須采用多核并行編程新的技術手段來解決。

多核并行編程關鍵技術

1、鎖技術

美國服務器Linux kernel提供了多種鎖機制，如自旋鎖、信號量、互斥量、讀寫鎖、順序鎖等。各種鎖的簡單比較如下：

1）自旋鎖，不休眠，無進程上下文切換開銷，可以用在中斷上下文和臨界區小的場合

2）信號量，會休眠，支持同時多個并發體進入臨界區，可以用在可能休眠或者長的臨界區的場合

3）互斥量，類似與信號量，但只支持同時只有一個并發體進入臨界區

4)讀寫鎖，支持讀并發，寫寫/讀寫間互斥，讀會延遲寫，對讀友好，適用讀側重場合

5)順序鎖，支持讀并發，寫寫/讀寫間互斥，寫會延遲讀，對寫友好，適用寫側重場合

鎖技術雖然能有效地提供并行執行下的競態保護，但鎖的并行可擴展性很差，無法充分發揮多核的性能優勢。鎖的粒度太粗會限制擴展性，粒度太細會導致巨大的系統開銷，而且設計難度大，容易造成死鎖。以下技術手段或指導原則能解決或減輕這些問題的風險：

1）按統一的層次順序使用鎖，解決死鎖問題

2）指數后退，解決活鎖/饑餓問題

3）范圍鎖，解決鎖驚群問題

4）優先級繼承，解決優先級反轉問題

2、原子技術

原子技術主要是解決cache不一致性和亂序執行對原子訪問的破壞問題。主要的原子原語有：

1）ACCESS_ONECE()：只限制編譯器對內存訪問的優化

2)barrier()：只限制編譯器的亂序優化

3)smb_wmb()：寫內存屏障，刷新store buffer，同時限制編譯器和美國服務器CPU的亂序優化

4）smb_rmb()：讀內存屏障，刷新invalidate queue，同時限制編譯器和美國服務器CPU的亂序優化

5）smb_mb()：讀寫內存屏障，同時刷新store buffer和invalidate queue，同時限制編譯器和CPU的亂序優化

6）atomic_inc()/atomic_read()：美國服務器整型原子操作

3、無鎖技術

原子技術是無鎖技術中的一種，除此之外，無鎖技術還包括RCU、Hazard pointer等，這些無鎖技術都基于內存屏障實現的：

1）Hazard pointer主要用于對象的生命周期管理，類似引用計數，但比引用計數有更好的并行可擴展性。

2）RCU適用的場景很多，其可以替代：讀寫鎖、引用計數、垃圾回收器、等待事物結束等，而且有更好的并行擴展性。但RCU也有一些不適用的場景，如寫側重、臨界區長、臨界區內休眠等場景。

不過，所有的無鎖原語也只能解決讀端的并行可擴展性問題，寫端的并行可擴展性只能通過數據分割技術來解決。

4、數據分割技術

分割數據結構，減少共享數據，是解決并行可擴展性的根本辦法。對分割友好(即并行友好)的數據結構有：

1）數組

2）哈希表

3）基樹/稀疏數組

4）跳躍列表

使用這些便于分割的數據結構，有利于通過數據分割來改善并行可擴展性。除了使用合適的數據結構外，合理的分割指導規則也很重要：

1）讀寫分割：把以讀為主的數據與以寫為主的數據分開

2）路徑分割：按獨立的代碼執行路徑來分割數據

3）專項分割：把經常更新的數據綁定到指定的CPU/線程中

4）所有權分割：按美國服務器CPU/線程個數對數據結構進行分割，把數據分割到per-cpu/per-thread中

以上這些美國服務器Linux系統多核并行編程內容，基本上涵蓋了Linux kernel中所有的并發編程關鍵技術。當然并行編程還有很多其他技術沒有應用到Linux kernel中的，如無副作用的并行函數式編程技術、消息傳遞、MapReduce等等。

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