隱式多線程綜述

李劭卓

（河北農業大學渤海校區，黃驊 061000）

0 引言

在計算機發展史上，計算機從單線程發展到了多線程，多線程的出現很大程度上提升了計算機的性能，但是在人類科技發展的需求以及摩爾定理的限制下，單核處理機系統已經到達極限。為了響應更多計算機性能方面的需求，適應計算機發展的需要，計算機已開始從單處理器系統向多處理器系統發展。

在多核處理機系統的快速發展中，多核系統編程（任務識別、平衡、數據分割、數據依賴、測試與調試）和程序正確性（同步與死鎖）的兩個方面難題越發突出。為了解決這些難題并設計出更好的多線程程序，人們開始通過編譯器與運行時庫來創建和管理多線程，即隱式線程（implicit threading），基于隱式線程與多線程的主要設計方法有三種：線程池（Thread pool）、OpenMP、大中央調度（Grand Central Dispatch，GCD）。

1 隱式多線程的實現方法

1.1 線程池

當多線程服務器接收到一個請求時，如果采用創建一個新的線程去處理請求會出現兩種問題。第一種：創建新的線程需要時間并且在處理后會被丟失，第二種：沒有限制系統內部并發執行線程的數量。這兩個問題會導致系統響應速度以及性能的降低。

而線程池的出現為線程的創建、銷毀以及資源不足的問題提供了解決方案。在進程開始的時候，系統就創建一定數量的線程，并將這些線程加入池中等待喚醒，當服務器收到請求時，服務器就喚醒一個可用的線程，然后將需要服務的請求傳遞給該線程，待線程完成服務之后，再重新返回到線程池中等待下一次喚醒，若沒有可用的線程，則服務器就會開始等待，直到有空線程為止。

優點：

（1）提高了系統的響應速度。系統已經創建好了一定數量的線程，當有請求到來時，可直接使用預先建立好的線程，不需要重新創建線程，這消除了系統創建線程時的時間延遲。

（2）線程池限制了任何時刻的可用線程的數量。系統預先創建一定數量的線程，并且限制它們的數量，這能夠控制線程對象在內存中的消耗。十分有利于有大量并發式訪問，而其任務短小的服務器。

（3）將待執行任務從創建任務的機制中分離出來。允許使用延遲或定期執行的策略運行任務。

（4）降低系統的開銷與資源的消耗。線程池中的線程被重復利用，使用后的線程會重新返回到線程池中，不會被銷毀，降低了虛擬機垃圾回收方面的開銷。

缺點：

（1）需要考慮線程池的大小。線程池中的線程并非越多越好，需要結合軟硬件的具體環境以及應用程序自身的特點來考慮。

（2）線程泄露。當線程執行完任務后，沒有返回到線程池中。需要采取異常捕捉的方法防止線程泄露。

（3）并發錯誤。要從邏輯上考慮線程的并發狀況，防止死鎖的出現。

1.2 OpenMP

OpenMP是一種支持共享內存環境的多處理器多線程并行編譯語言，它由一組編譯指令和API組成，其通過向C、C++、Fortran語言提供一組和平臺無關的編譯指令、函數調用、指導函數以及環境變量，來指示OpenMP運行時庫在何時何處才能進行并行處理。

并行處理的指示指令為#pragma omp parallel，當程序進行到指示指令時，系統就會創建一個與系統處理器數量一樣多的線程。原線程（主線程）與新派生出來的線程（組的從屬線程）組成線程組，即從單個線程執行轉換為多線程并行執行，待程序執行完并行區域（parallel fegion）的所有內容后，系統將會把并行線程的所得結果連接在一起，并重新開始單個線程執行，此通常用于循環結構的并行化處理。

除提供并行化指令外，OpenMP還允許手動設置線程數量、指定哪個數據可在線程間共享、哪個數據只屬于某個線程，其支持的操作系統有Windows、Linux、Mac OS X，并可用于多種開源編譯器和商用編譯器。

優點：

（1）有利于多核升級后的程序性能。多核編程需要考慮到今后硬件核數升級之后的程序性能問題，如果將程序設計為隨CPU核數增長，就無法固定線程的數量；如果固定線程數量并且要求CPU核數增加時，程序性能也要增加，則需要在每次硬件核數升級后，程序進行相對應的更改。OpenMP可直接根據CPU的核數創建線程，這十分方便。

（2）并行區域執行方便。多核編程中，需要將并行部分均分到各個CPU核心中，這對計算的負載均衡要求很高，但OpenMP可直接將并行區域的代碼分解為多個線程執行。

（3）方便移植。OpenMP是標準規范，所有支持OpenMP的編譯器執行標準一致。

缺點：

（1）使用范圍有限。OpenMP是一種支持共享內存環境的多處理器多線程并行編譯語言，在非共享內存系統中無法使用。

（2）高層抽象的局限性。OpenMP在需要復雜線程同步與互斥場合中不適用。

1.3 大中央調度

大中央調度是Apple Mac OS X和iOS的一種技術，它能為C語言、API和運行時庫提供一組擴展，允許多個代碼區域并行運行。

GCD在C與C++中增加了塊（block）的擴展，用字符加{ }的形式將塊括起來，同時以一個塊為獨立單位，然后將各個塊放入調度隊列（dispatchqueue）中，在執行程序時

，每次從調度隊列中取出一個塊，并將它分配給線程池中的一個可用線程。

調度隊列有兩種形式：串行（serial）和并行（concurrent）。

串行：

串行隊列以先進先出的形式進行塊的執行，每次只能執行一個塊，每當一個塊執行完后，才會從調度隊列中調度下一個塊。在進程中可以有多個串行隊列，但是只能有一個主隊列，其用于保證任務的順序的正確性。

并行：

并發隊列也以先進先出的進行塊的執行，但是每次可以執行多個塊，進行多個塊的并行運行。

在大中央調度中的線程池由POSIX線程組成，GCD會根據應用需求以及系統的容量動態地調節線程的數量，以此實現對內部線程池的管理。

優點：

（1）GCD更加接近底層。GCD提供底層函數，在追求性能的底層操作中，速度很快，并提供更強大的控制力。

（2）系統資源利用率高。可以簡單地在不同代碼中傳遞上下文，減少上下文之間的切換，提高資源的利用率，減輕系統的負荷。

缺點：

操作實現復雜。GCD需要許多代碼來實現異步操作之間的事務性、順序行和依賴關系。

1.4 其他方法

線程構造模塊（Treading Building Block，TBB）：

一種由Intel開發用于并行編程的C++線程庫，它不需要線程編程，允許運行時庫自動地將邏輯并行映射到線程中，有效地利用了CPU資源，而且可以與其他線程兼容，實現無縫共存。

Java.util.concurrent：

一種Java語言用于并行編程的實用工具類，它包括了幾個已經標準化的可擴展框架和一些提供有用功能的類。

2 結束語

多核多線程已成為處理器發展的一個大方向，它能提升計算機的性能，但面臨著多核系統編程和程序正確性上的兩個方面難題，隱式多線程可以有效地解決與緩解這兩方面問題。

雖然隱式多線程實現技術很多，但其核心思想是控制系統中線程的數量，利用已有線程執行任務、創建線程數量要與計算機處理核心相匹配以及動態地調用線程數量。