多核結(jié)構(gòu)上高效的線程級推測及事務(wù)執(zhí)行模型研究.pdf

1、片上多核作為當(dāng)今處理器設(shè)計(jì)的主流技術(shù)，需要運(yùn)行多線程應(yīng)用才能充分發(fā)揮性能。推測多線程方法能夠簡化并行編程，允許程序員或者編譯器在不完全保證正確性的情況下，嘗試激進(jìn)的優(yōu)化方式來開發(fā)和利用更多的程序并行性。實(shí)現(xiàn)這種方法的難點(diǎn)在于訪存操作的局部緩存，已提出的一些推測多線程方案都使用了非常復(fù)雜的緩存機(jī)制，不光增加了硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度，也在一定程度上影響了應(yīng)用開發(fā)的效率。實(shí)現(xiàn)這種技術(shù)的另一個(gè)難點(diǎn)是如何有效地減少誤推測對并行性能的不確定性影響。為此，本

2、文嘗試采用事務(wù)存儲和動(dòng)態(tài)剖析技術(shù)來解決這兩大難題，為多核平臺尋找一種能夠高效地推測并行化應(yīng)用程序的軟硬件協(xié)同的解決方案。 本文圍繞基于事務(wù)存儲的線程級推測技術(shù)開展了深入系統(tǒng)的研究，涉及結(jié)構(gòu)模型、編程和執(zhí)行模型、動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法等方面的內(nèi)容。主要研究成果包括： (1)本文首先提出了一個(gè)基于事務(wù)存儲的推測多線程體系結(jié)構(gòu)模型SPoTM。SPoTM利用事務(wù)存儲來實(shí)現(xiàn)線程間的讀寫操作隔離，提供了線程亂序執(zhí)行、順序提交、沖突檢測以及推測

3、失敗后回退等功能。 (2)本文還為SPoTM結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于循環(huán)并行的推測多線程編程模型，提供了實(shí)現(xiàn)該編程模型所需的推測線程系統(tǒng)庫以及指令集擴(kuò)展等。SPoTM編程模型實(shí)現(xiàn)簡單，并行化需要的代碼調(diào)整很少，對多線程并行程序設(shè)計(jì)的簡化非常明顯。 (3)本文選取SPEC CPU 2000中的若干典型程序，在為SPoTM結(jié)構(gòu)開發(fā)的模擬執(zhí)行平臺fastTM和sim-SPoTM上進(jìn)行了詳細(xì)的評測，量化分析了各種硬件機(jī)制對推測執(zhí)行性能

4、的影響，以尋找性價(jià)比較好的實(shí)現(xiàn)方案。本文還全面分析了在推測執(zhí)行條件下Cache局部性的變化，并提出和驗(yàn)證了幾個(gè)改善局部性的方法。 (4)針對當(dāng)前推測多線程優(yōu)化中普遍使用的離線剖析方式受到培訓(xùn)輸入集限制的問題，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種在運(yùn)行時(shí)根據(jù)在線剖析結(jié)果自動(dòng)變換推測多線程程序的動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法。該方法在運(yùn)行時(shí)執(zhí)行剖析和優(yōu)化工作，不需要單獨(dú)的剖析過程以及通用的測試輸入集，同時(shí)也適用于那些運(yùn)行時(shí)行為特征呈階段性變化的程序。實(shí)驗(yàn)表明，在指導(dǎo)

5、事務(wù)劃分和選擇并行循環(huán)方面，動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法能夠達(dá)到和離線優(yōu)化方法相近的效果。 在設(shè)計(jì)評測SPoTM結(jié)構(gòu)模型，開發(fā)動(dòng)態(tài)軟件優(yōu)化系統(tǒng)的過程中，得到了一些關(guān)于如何有效利用推測多線程技術(shù)的定性結(jié)論。首先，為了提升推測執(zhí)行性能，認(rèn)為更多的努力應(yīng)當(dāng)投入到軟件優(yōu)化方面，而不是激進(jìn)地調(diào)整硬件結(jié)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)制。其次，推測多線程技術(shù)并不能使自動(dòng)并行完全取代手工并行，這種技術(shù)可以作為手工并行的輔助工具來使用。最后，不論是手工并行還是自動(dòng)并行，一個(gè)漸進(jìn)的并