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	《多核程序设计技术 ——通过软件多线程提升性能》作者：[孟]Shameem Akhter [美]Jason Roberts 译者：李宝峰、富弘毅、李韬

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	《多核程序设计技术——通过软件多线程提升性能》 Multi-core Programming: Increasing Performance through Software Multi-threading
	作者：[孟]Shameem Akhter [美]Jason Roberts 译者：李宝峰、富弘毅、李韬出版社：电子工业出版社出版日期：2007年3月定价：49元	书号：978-7-121-03871-6 页码：351页开本：16开字数：264千字

内容简介

本书从原理、技术、经验和工具等方面为读者提供关于多核程序设计技术的全方位理解。本书由三大部分组成：第一部分包括第1-4章，介绍软件多线程的内容；第二部分包括第5章和第6章，其中讨论用于编写并行程序的常用编程API；第三部分包括其余五章关于多核程序设计的内容，讲述常见并行程序设计问题及解决方法（第7章）、多线程应用程序的调试技术（第8章）、单核与多核处理器基本原理（第9、10章）和所需的Intel公司的软件开发辅助工具（第11章）。

本书作者都是长期供职于Intel公司的资深软件工程师和结构师，书中融入了他们自己丰富的软硬件开发经验，可以为面向多核体系结构进行并行程序设计的开发人员提供巨大的帮助。不论对从未接触过并行程序设计的开发人员，还是转型面向多核体系结构进行并行程序设计的开发人员来讲，本书都是一本难得的参考书。

作者介绍

Shameem Akhter是Intel公司的一名平台结构师，主要从事单插槽多核体系结构和性能分析的研究和实现工作。他曾经是Intel软件和解决方案小组的一名资深软件工程师，负责面向桌面和服务器平台的应用程序的优化设计。Shameem获得了一项关于面向受限程序设计的多线程接口的专利技术，该项专利是其硕士论文（计算机科学）的组成部分。

Jason Roberts是Intel公司的一名资深软件工程师。在过去的10年之中，Jason从事过大量不同的多线程软件产品的开发工作，这些产品覆盖了桌面平台、手持平台以及嵌入式DSP平台上的各种应用。

图书目录

第1章 多核体系结构概述  ......1 
1.1 促成软件并发的因素  ......2 
1.2 并行计算平台  .....5 
1.2.1 微处理器中的并行计算 ...7 
1.2.2 超线程技术与多核体系结构的联系与区别 ......9 
1.2.3 单核与多核平台上的多线程技术对比 .......11 
1.3 “性能”解析  .....14 
1.3.1 Amdahl定律  ....14
1.3.2 Gustafson定律：增长式回报 .....18 
1.4 本章要点  ......19 
第2章 多线程技术概述  ....21 
2.1 线程的定义  .......22 
2.2 线程的层次  .......22 
2.2.1 操作系统之上的线程 ...23 
2.2.2 操作系统内部的线程 ...26 
2.2.3 硬件上的线程  ....30 
2.3 线程创建之后的相关行为... .......31 
2.4 应用程序设计模型与多线程技术 ......32 
2.5 虚拟环境：虚拟机和虚拟平台 ......33 
2.5.1 运行时虚拟化  ....33 
2.5.2 系统虚拟化  ...33 
2.6 本章要点  ......36 
第3章 并行程序设计的基本概念 ......37 
3.1 多线程设计  .......37 
3.1.1 任务分解  .......38 
3.1.2 数据分解  .......39 
3.1.3 数据流分解  ...40 
3.1.4 各种分解方式的比较 ...41 
3.2 并行程序设计人员面临的挑战 ......42 
3.3 并行程序设计模式  ...43 
3.4 误差扩散问题：一个具有启发意义的例子 ...45 
3.4.1 误差扩散算法分析  .48 
3.4.2 一种并行误差扩散算法 ....48 
3.4.3 其他并行误差扩散算法 ....50 
3.5 本章要点  ......52 
第4章 多线程和并行程序设计结构 .......53 
4.1 同步  .....53 
4.2 临界段  ......55 
4.3 死锁  .....56 
4.4 同步原语  ......58 
4.4.1 信号量  ......58 
4.4.2 锁  ...61 
4.4.3 条件变量  .......64 
4.5 消息  .....66 
4.6 流控制相关的概念  ...69 
4.6.1 栅栏  .....69 
4.6.2 栅障  .....69 
4.7 与实现相关的多线程特征 .....70 
4.8 本章要点  ......71 
第5章 线程API  ...72 
5.1 微软Windows的线程API ....72 
5.1.1 Win32/MFC线程API .......72 
5.2 微软.NET框架的线程API .......107 
5.2.1 创建线程  .....107 
5.2.2 管理线程  .....111 
5.2.3 线程池  ....113 
5.2.4 线程同步  .....119 
5.3 POSIX线程  ....122 
5.3.1 创建线程  .....123 
5.3.2 管理线程  .....125 
5.3.3 线程同步  .....126 
5.3.4 激发  ...128 
5.3.5 编译与链接  ......137 
5.4 本章要点  ....137 
第6章 OpenMP†：一种可移植的多线程解决方案 ......139 
6.1 将循环多线程化所面临的挑战 ....141 
6.1.1 循环迭代相关  .......141 
6.1.2 数据竞争  .....144 
6.1.3 管理共享数据和私有数据 ...145 
6.1.4 循环调度与分块  ...147 
6.1.5 有效地使用归约  ...151 
6.2 降低线程开销  .....154 
6.2.1 任务分配区  ......156 
6.3 提高程序性能的设计方法 ...157 
6.3.1 使用Barrier和Nowait ....157 
6.3.2 单线程和多线程交错执行 ...159 
6.3.3 数据的Copy-in和Copy-out .....160 
6.3.4 保护共享变量的更新操作 ...162 
6.3.5 Intel OpenMP任务队列扩展 ....165 
6.4 OpenMP库函数  ......167 
6.5 OpenMP环境变量  .......169 
6.6 编译  ....169 
6.7 调试  ...171 
6.8 性能  ...173 
6.9 本章要点  ....175 
第7章 常见并行程序设计问题的解决方法 ......176 
7.1 线程过多  ....176 
7.2 数据竞争、死锁和活锁 ...179 
7.2.1 死锁  ...182 
7.3 竞争激烈的锁  .....185 
7.3.1 优先级倒置  ......186 
7.3.2 锁竞争激烈的解决方法 .......187 
7.4 非阻塞算法  .....190 
7.4.1 ABA问题  ...192 
7.4.2 cache行乒乓现象  .194 
7.4.3 存储空间回收问题 .....194 
7.4.4 一些建议  .....195 
7.5 线程安全函数和库  ......196 
7.6 存储问题  ....197 
7.6.1 带宽  ...197 
7.6.2 cache的利用  ....198 
7.6.3 存储竞争  .....201 
7.7 cache相关的问题  ...204 
7.7.1 伪共享  ....204 
7.7.2 存储一致性  ......208 
7.7.3 当前的IA-32体系结构 .......209 
7.7.4 Itanium®体系结构  211 
7.7.5 高级语言  .....214 
7.8 避免IA-32上的流水线停顿 ....215 
7.9 面向高性能的数据组织 ...216 
7.10 本章要点  ....217 
 
第8章 多线程调试技术  .......219 
8.1 通用调试技术  .....219 
8.1.1 在设计时考虑调试 .....220 
8.1.2 使用trace缓冲扩展应用程序 .......222 
8.2 Windows多线程程序的调试 ...228 
8.2.1 Threads窗口  ....229 
8.2.2 跟踪点  ....229 
8.2.3 断点过滤  .....230 
8.2.4 线程命名  .....231 
8.2.5 综合讨论  .....232 
8.3 使用GDB进行多线程调试 .....236 
8.3.1 线程创建通告  .......237 
8.3.2 获取应用程序中所有线程的列表 ......237 
8.3.3 设置线程相关的断点 ......238 
8.3.4 线程间切换  ......239 
8.3.5 向一组线程发送命令 ......240 
8.4 本章要点  ....240 
第9章 单核处理器基础  .......242 
9.1 处理器体系结构基础知识 ...242 
9.2 超标量结构与EPIC结构的对比 ......249 
9.3 本章要点  ....250 
第10章 面向Intel®多核处理器的多线程技术 .......251 
10.1 基于硬件的多线程技术 .....251 
10.1.1 Intel处理器内的多线程技术 .......255 
10.2 超线程技术  .......256 
10.2.1 多处理器技术与超线程技术之间的区别 ...258 
10.2.2 超线程体系结构  .258 
10.3 多核处理器  .......261 
10.3.1 多核体系结构知识 ...261 
10.3.2 多处理器与多核处理器的对比 ...264 
10.3.3 Itanium®体系结构下的多核处理器 .......265 
10.4 多个处理器之间的交互 .....269 
10.4.1 处理器间通信与多线程程序设计 ....269 
10.5 功耗  ......271 
10.5.1 功耗公式  ...272 
10.5.2 降低功耗  ...273 
10.6 多核处理器体系结构未来发展趋势 .......274 
10.7 本章要点  .......276 
第11章 Intel®软件开发产品  ...278 
11.1 概述  ......278 
11.1.1 调研  ......279 
11.1.2 创建/表达  .......279 
11.1.3 调试  ......280 
11.1.4 优化  ......280 
11.2 Intel®线程检测器  .......280 
11.2.1 Intel线程检测器的使用 .....282 
11.2.2 使用提示  ...283 
11.2.3 使用Intel®线程检测器检查OpenMP代码 ...285 
11.3 Intel编译器  .......285 
11.3.1 OpenMP†  ...285 
11.3.2 软件式推测预计算 ...291 
11.3.3 编译器优化和cache优化 .......292 
11.4 Intel®调试器  ......293 
11.5 Intel库  ......294 
11.5.1 Intel®数学核心函数库 ...294 
11.5.2 Intel®集成式高性能原函数 .....295 
11.5.3 使用并行库时的一些并行程序问题 .....296 
11.5.4 未来发展趋势  .....297 
11.5.5 Intel®线程构建模块 .......297 
11.6 Intel® VTuneTM性能分析器 .......297 
11.6.1 寻找热点  ...298 
11.6.2 使用调用图来发现可采用多线程实现的地方 299 
11.6.3 检查负载平衡  .....300 
11.7 Intel®线程直方统计器 ....301 
11.8 MPI程序设计  ...302 
11.8.1 Intel对MPI的支持 .......303 
11.9 本章要点  .......306 
术语表   .308 
参考文献  .......325 
索引   ......330

序言/前言

前    言
到目前为止，绝大部分专业技术人员都已意识到了现代计算平台的设计方式正在经历一个本质性的转型阶段。Intel、IBM、Sun以及AMD公司都不约而同地推出了在单个芯片上集成多个执行核的微处理器产品。在2005年，在消费者面前的桌面平台、服务器以及游戏控制台都出现了采用多核CPU的情况。但这仅仅只是一个开始而已，未来还会出现更多的多核处理器产品；目前，半导体制造厂商正致力于在单个基片上集成更多的执行核，而不是努力将处理器的主频提升到10GHz。可以预见，未来的计算平台，不论是桌面应用、移动应用、服务器还是专用嵌入式平台都很有可能采用多核结构。
硬件工业的这种发展趋势也为软件开发人员提供了新的机遇。以前的硬件平台向程序开发人员提供的是一种串行程序设计模型。操作系统及其他系统软件只能够通过利用计算速度或者人类感知能力弱点的方式来模拟多任务环境。因此，在这种条件下，多线程只是一种效果表象而已。但是，现代多核体系结构为开发人员提供了一个真正的并行计算平台，为软件开发人员设计和实现软件提供了一种更加强大的工具。本书将对面向多核平台的软件设计开发的方方面面进行简要的介绍。
本书适合的读者
本书的主要目标是为开发人员提供一些帮助，使他们能够面向并行硬件平台开发高效的软件。并行硬件平台包括多核处理器和采用同时多线程技术（例如超线程技术）的处理器。本书的主要内容是讲述一些程序设计技术，使开发人员能够充分利用底层硬件平台所提供的支持。我们希望尽可能地扩大本书所适合的读者群，因此，书中也设置了相当一部分介绍性的内容，例如基本的线程概念，这对于刚刚涉足多线程程序设计的开发人员而言非常有益。但是，并行程序设计是一门非常复杂的技术，其中有大量不同的方法和基本原理。本书的目标（从另一方面说也是挑战）就是为读者提供一个多核处理器或者那些采用同时多线程技术的平台的硬件能力的详细讨论，而不是让读者迷失在各种不同的学术争论（例如关于某种方法是否是编写可靠的、易于维护的并行程序的最优方案的争论）之中。此外，书中所引用的权威著作都已列在书后的“参考文献”中，读者如果需要了解更加详细的信息，请阅读这些参考文献的内容。
我们假设读者都是经验非常丰富的程序开发人员，但是对多线程程序设计技术却知之甚少。可能有些人会说这个假设过于谨慎了，因为许多阅读本书的开发人员在面向单核平台编写应用程序时都接触过线程，他们熟悉多线程程序设计的基本原理，并且至少熟悉一种线程API。但是，请注意：面向单核平台、多核平台以及支持同时多线程技术的平台编写应用程序是极其不同的。本书会对其中的差别加以讨论。正因为如此，本书从一开始就在相应的章节中着重讲述了这些差异。本书假设读者至少熟悉一种高级程序设计语言，尤以熟悉C/C++者为佳。但是，书中所给出的许多建议也同样适合其他的高级语言，例如Java和Perl。我们希望通过以上努力能够使得本书具有更加广泛的读者群。
关于本书
本书由三大部分组成。第一部分包括第1-4章，介绍软件线程的内容。这一部分包括许多背景知识：为什么芯片制造商都将重心转移到了多核体系结构上？线程是如何工作的？如何衡量某种特定的多线程实现、某些面向并行硬件平台的程序设计范例或使用多线程时所采用的抽象数据类型所带来的性能提升？读者阅读完这些章节之后就应该能够找出硬件平台当前为什么如此发展的原因，同时还会对编写并行程序所需的一些基本原理有所领悟。
第二部分包括第5章和第6章的内容，其中讨论了编写并行程序时常用的编程API，主要讨论三种编程接口：微软的面向Win32、MFC和.NET的API、POSIX Threads，以及OpenMP。虽然开发人员可以选用的不同API和程序设计模型非常多，但是限于篇幅和时间，本书只选择了最常用的具有代表意义的API来讲述。
第三部分，也是最后一部分，都是关于多核程序设计的内容。第7章对常见的并行程序设计问题及解决方法进行了讨论。第8章讨论的是关于多线程应用程序的调试问题。第9章介绍或者回顾了一些硬件基本原理，第10章继续第9章的内容，进一步从硬件层次讨论了多核处理器的基本原理。第11章则对Intel公司开发的软件工具进行了介绍，这些软件工具能够辅助开发人员对多线程应用程序进行编写、调试以及描述。
最后，需要特别指出的是书中所有基于Windows?操作系统的示例都采用微软的Visual Studio 2005来编译和构建。这些应用程序的测试环境为微软的Windows XP Service Pack 2版本。对于书中所有的Linux示例，则采用gcc编译器进行编译和构建，测试环境为Linux 2.6。所有的OpenMP示例都采用最新的Intel? C++编译器进行编译和构建，关于这些代码示例的更新、勘误以及其他信息，请访问本书的网站：http://www.intel.com/intelpress/mcp。
Intel软件开发产品
在阅读本书，尤其是第11章的过程中会发现这样一个事实：Intel公司并不仅仅只生产多核处理器产品。除了硬件平台以外，Intel公司还为软件开发人员提供了各种各样的资源，其中包括一个面向多线程而开发的功能全面的工具包，该工具包包含以下组件：
Intel C++和Fortran编译器  二者提供了对OpenMP和自动并行技术的支持，从而支持多线程技术。
Intel数学核心函数库和Intel集成式高性能原函数库  这两个库中的例程都采用OpenMP实现了多线程化。
Intel VTuneTM性能分析器  用于监控与多线程性能相关的处理器事件。
Intel线程检测器和Intel调试器  辅助开发人员调试常见的多线程问题，例如死锁。
Intel线程直方统计器  辅助开发人员优化基于OpenMP、微软的Windows和POSIX的多线程应用程序。
除了上述工具，Intel公司还提供了Intel软件网络（Intel Software Network），主要致力于和世界上的软件厂商一起来辅助应用程序产品的开发和配置。Intel软件网络由大量不同的资源组成。其中一部分就是Intel体系结构师编写的白皮书和文章，分享了一些技术上的关键观点，包括最优线程技术。Intel软件网络也包括一些供用户讨论的论坛，在这些论坛中，用户可以与Intel工程师进行交流，共同讨论关于技术方面的所有问题。Intel软件学院（Intel Software College）提供各种方式的培训课程，包括Webcast、在线培训和课堂培训。这些课程涉及包括多线程程序设计在内的多种主题。Intel解决方案服务（Intel Solution Services）则向那些正在为某个技术难题而寻求专家意见的公司提供咨询服务。
关注多核平台的开发人员可以在Intel网站的多核主页（http://www.intel.com/multi-core/）上面浏览和获取相关的在线资源。
致谢
本书的出版是团体协作努力的结果。在此，对为本书的编写和出版提供了巨大帮助的人们致以特别感谢。首先我们要列出参与本书编写工作的其他作者的名字：本书第6章——“OpenMP：一种可移植的多线程解决方案”，作者是Xinmin Tian；第7章——“常见并行程序设计问题的解决方法”，作者是Arch Robison；最后，James Reinders与Eric Moore和Gordon Saladino一起编写了第11章——“Intel软件开发产品”。其他参与本书编写的人员有：Sergey Zheltov，Stanislav Bratanov，Eugene Gorbatov和Cameron McNairy。向以上参与编写的人们表示真挚的感谢。
Intel出版社的所有书籍都需要经过严格的评审才能最终出版。在此，我们要对所有参与本书评审的人员表示感谢，他们指出了原稿中的许多错误，提供了很多极具价值的建议，并一直给予我们鼓励。没有他们的帮助，本书就不能够成功出版。Intel公司的许多人在不同时期都参与了本书的评审，他们是：Andy Anderson，Jeff Austin，Ernie Brickell，Daniel Brown，Doris Burrill，Stephen Chao，Brad Corrion，Jim Cownie，David Grawrock，Gerard Hartnett，William Holt，James Howard，Bob Kuhn，Tim Mattson，My-Hanh Nguyen，Paul Petersen，James Reinders，Arch Robison，Thom Sawicki，Sanjiv Shah，Xinmin Tian，Kimberly Turner，Richard Uhlig，Greg Welch，Paul Work和Sergey Zheltov。其他评审人员还有Pacific Data Works，LLC的Andrew Binstock、Eastman Kodak的Thomas Kinsman和Florida Atlantic University的副教授Hari Kalva。
最后，我们要感谢Intel出版社的全体员工。Stuart Goldstein负责本书的内容结构，他稳定的领导和查找所需资源的能力使得本书总能够跟上技术更新的步伐。David Clark是本书的编辑，他将我们散乱无章的工程性文章整合成了一本真正意义上的书籍。David Spencer参与了本书出版的早期工作，使我们有了一个正确的、良好的开端。
除此以外，很多专业人士应邀参与了本书中文版的校对工作，我们在此对以下人员表示衷心的感谢，他们是：上海交通大学的胡越明副教授、浙江大学的陈天洲教授、清华大学的薛巍博士和郑纬民教授，来自于Intel的于超、林子超、降昊、Tian Xinmin、熊思民、罗勇。感谢他们的帮助，将最新的计算机技术带给正在不断创新的中国工程师们。
对由于疏忽而未在前面提及的所有相关人员表示歉意，在此一并感谢。

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