并发编程网 - ifeve.com

原文的下载地址‥http://kernel.org/pub/linux/kernel/people/paulmck/perfbook/perfbook.html
中文版下载地址‥深入理解并行编程V1.0 ︵4.1M︶

本书是linux内核大牛paul的力作，和鲁阳同学一起，花了两个月时间进行翻译。
目前没有翻译问答部分，主要是时间不够，也担心不能将这部分翻译准确。
对内核深度发烧的同学可以看看。

本书目录

1. 简介…………………………………………………………………………………………… 14

1.1. 导致并行编程困难的历史原因……………………………………………… 14

1.2. 并行编程的目标…………………………………………………………………… 15

1.2.1. 性能………………………………………………………………………………. 16

1.2.2. 生产率…………………………………………………………………………… 17

1.2.3. 通用性…………………………………………………………………………… 18

1.3. 并行编程的替代方案……………………………………………………………. 20

1.3.1. 顺序应用多实例化…………………………………………………………. 20

1.3.2.使用现有的并行软件……………………………………………………… 21

1.3.3. 性能优化……………………………………………………………………….. 21

1.4. 是什么使并行编程变得复杂？……………………………………………… 22

1.4.1. 工作分割……………………………………………………………………….. 22

1.4.2. 并行访问控制………………………………………………………………… 23

1.4.3. 资源分割和复制…………………………………………………………….. 24

1.4.4. 与硬件交互……………………………………………………………………. 24

1.4.5. 组合使用……………………………………………………………………….. 24

1.4.6. 语言和环境如何对这样的任务进行支持？……………………… 25

1.5. 本书导读……………………………………………………………………………… 25

1.5.1. 小问题…………………………………………………………………………… 25

1.5.2. 随书源码……………………………………………………………………….. 26

2. 硬件的习性………………………………………………………………………………… 28

2.1. 概述…………………………………………………………………………………….. 28

2.1.1. CPU流水线 …………………………………………………………………… 29

2.1.2. 内存引用……………………………………………………………………….. 30

2.1.3. 原子操作……………………………………………………………………….. 31

2.1.4. 内存屏障……………………………………………………………………….. 32

2.1.5. Cache Miss …………………………………………………………………….. 33

2.1.6. I/O操作 ………………………………………………………………………… 34

2.2. 开销…………………………………………………………………………………….. 35

2.2.1. 硬件体系结构………………………………………………………………… 36

2.2.2. 操作的开销……………………………………………………………………. 37

2.3. 硬件的免费午餐? …………………………………………………………………. 38

2.3.1. 3D集成 …………………………………………………………………………. 39

2.3.2. 新材料和新工艺…………………………………………………………….. 39

2.3.3. 专用加速器……………………………………………………………………. 39

2.3.4. 现有的并行软件…………………………………………………………….. 40

2.4. 软件设计Implication ……………………………………………………………. 40

3. 工具…………………………………………………………………………………………… 43

3.1. 脚本语言……………………………………………………………………………… 43

3.2. POSIX多进程 ……………………………………………………………………… 44

3.2.1. POSIX进程创建和撤销 …………………………………………………. 44

3.2.2. POSIX线程的创建和撤销 ……………………………………………… 46

3.2.3. POSIX锁 ………………………………………………………………………. 48

3.2.4. POSIX读写锁 ……………………………………………………………….. 52

3.3. 原子操作……………………………………………………………………………… 55

3.4. Linux内核中类似POSIX的操作 …………………………………………. 56

3.5. 趁手的工具——该如何选择？……………………………………………… 58

4. 计数…………………………………………………………………………………………… 59

4.1. 为什么并发计数不可小看？…………………………………………………. 60

4.2. 统计计数器………………………………………………………………………….. 62

4.2.1. 设计………………………………………………………………………………. 62

4.2.2. 基于数组的实现…………………………………………………………….. 62

4.2.3. 结果一致的实现…………………………………………………………….. 64

4.2.4. 基于每线程变量的实现………………………………………………….. 66

4.2.5. 讨论………………………………………………………………………………. 69

4.3. 近似上限计数器…………………………………………………………………… 69

4.3.1. 设计………………………………………………………………………………. 69

4.3.2. 简单的上限计数器实现………………………………………………….. 70

4.3.3. 关于简单上限计数器的讨论…………………………………………… 76

4.3.4. 近似上限计数器的实现………………………………………………….. 76

4.3.5. 关于近似上限计数器的讨论…………………………………………… 77

4.4. 精确上限计数器…………………………………………………………………… 77

4.4.1. 原子上限计数器的实现………………………………………………….. 77

4.4.2. 关于原子上限计数器的讨论…………………………………………… 86

4.4.3. Signal-Theft上限计数器的设计 ……………………………………… 86

4.4.4. Signal-Theft上限计数器的实现 ……………………………………… 87

4.4.5. Signal-Theft上限计数器讨论 …………………………………………. 94

4.5. 特殊的并行计数器……………………………………………………………….. 95

4.6. 并行计数的讨论…………………………………………………………………… 96

5. 分割和同步设计……………………………………………………………………….. 100

5.1. 分割练习……………………………………………………………………………. 100

5.1.1. 哲学家就餐问题…………………………………………………………… 100

5.1.2. 双端队列……………………………………………………………………… 102

5.1.3. 关于分割问题示例的讨论…………………………………………….. 111

5.2. 设计准则……………………………………………………………………………. 111

5.3. 同步粒度……………………………………………………………………………. 113

5.3.1. 串行程序……………………………………………………………………… 114

5.3.2. 代码锁…………………………………………………………………………. 116

5.3.3. 数据锁…………………………………………………………………………. 117

5.3.4. 数据所有权………………………………………………………………….. 120

5.3.5. 锁粒度与性能………………………………………………………………. 121

5.4. 并行快速路径…………………………………………………………………….. 121

5.4.1. 读写锁…………………………………………………………………………. 122

5.4.2. 层级锁…………………………………………………………………………. 123

5.4.3. 资源分配器缓存…………………………………………………………… 125

5.5. 性能总结……………………………………………………………………………. 131

6. 锁…………………………………………………………………………………………….. 132

6.1. 生存︵staying alive︶ …………………………………………………………. 133

6.1.1. 死锁…………………………………………………………………………….. 133

6.1.2. 活锁…………………………………………………………………………….. 136

6.1.3. 不公平…………………………………………………………………………. 137

6.1.4. 低效率…………………………………………………………………………. 137

6.2. 锁的类型……………………………………………………………………………. 137

6.2.1. 互斥锁…………………………………………………………………………. 138

6.2.2. 读写锁…………………………………………………………………………. 138

6.2.3. Beyond Reader-Writer Locks …………………………………………. 138

6.3. 基于锁的存在担保︵existence guarantee︶ ………………………….. 138

7. 数据所有者………………………………………………………………………………. 140

8. 延迟处理………………………………………………………………………………….. 142

8.1. 屏障…………………………………………………………………………………… 142

8.2. 引用计数……………………………………………………………………………. 142

8.2.1. 引用计数类型的实现……………………………………………………. 143

8.2.2. 支持引用计数的Linux原语 …………………………………………. 150

8.2.3. 计数器优化………………………………………………………………….. 151

8.3. Read-Copy Update︵RCU︶………………………………………………… 151

8.3.1. RCU基础 ……………………………………………………………………. 151

8.3.2. RCU用法 ……………………………………………………………………. 163

8.3.3. Linux内核中的RCU API……………………………………………… 176

8.3.4. “玩具式”的RCU实现 ……………………………………………… 183

8.3.5. RCU练习 ……………………………………………………………………. 206

9. 使用RCU ………………………………………………………………………………… 207

9.1. RCU和基于每线程变量的统计计数器 ……………………………….. 207

9.1.1. 设计…………………………………………………………………………….. 207

9.1.2. 实现…………………………………………………………………………….. 207

9.1.3. 讨论…………………………………………………………………………….. 211

9.2. RCU和可移除I/O设备的计数器 ……………………………………….. 211

10. 验证‥调试及分析……………………………………………………………………. 214

11. 数据结构………………………………………………………………………………….. 216

12. 高级同步………………………………………………………………………………….. 218

12.1. 避免锁……………………………………………………………………………….. 218

12.2. 内存屏障……………………………………………………………………………. 218

12.2.1. 内存序及内存屏障…………………………………………………. 218

12.2.2. 如果B在A后面, 并且C在B后面, 为什么C不在A后面? 220

12.2.3. 变量可以拥有多个值……………………………………………… 221

12.2.4. 能信任什么东西? …………………………………………………… 222

12.2.5. 锁实现回顾……………………………………………………………. 229

12.2.6. 一些简单的规则…………………………………………………….. 230

12.2.7. 抽象内存访问模型…………………………………………………. 230

12.2.8. 设备操作……………………………………………………………….. 233

12.2.9. 保证………………………………………………………………………. 233

12.2.10. 什么是内存屏障? …………………………………………………… 234

12.2.11. 锁约束…………………………………………………………………… 247

12.2.12. 内存屏障示例………………………………………………………… 248

12.2.13. CPU ………………………………………………………………………. 251

12.2.14. 哪里需要内存屏障? ……………………………………………….. 253

12.3. 非阻塞同步………………………………………………………………………… 253

12.3.1. 简单 NBS ……………………………………………………………… 253

12.3.2. 冒险指针……………………………………………………………….. 253

12.3.3. 原子数据结构………………………………………………………… 253

12.3.4. “Macho” NBS………………………………………………………… 253

13. 易于使用………………………………………………………………………………….. 254

13.1. Rusty Scale for API Design ………………………………………………….. 254

13.2. Shaving the Mandelbrot Set ………………………………………………….. 255

14. 时间管理………………………………………………………………………………….. 258

15. 未来的冲突………………………………………………………………………………. 259

15.1. 可交易内存………………………………………………………………………… 259

15.1.1. I/O 操作 ……………………………………………………………….. 260

15.1.2. RPC 操作 ……………………………………………………………… 260

15.1.3. 内存映射操作………………………………………………………… 261

15.1.4. 多线程事务……………………………………………………………. 262

15.1.5. 外部的事务访问…………………………………………………….. 263

15.1.6. 延时………………………………………………………………………. 264

15.1.7. 锁………………………………………………………………………….. 264

15.1.8. 读者-写者锁 ………………………………………………………….. 265

15.1.9. 持续性…………………………………………………………………… 266

TM如何提供类似的持续性功能？……………………………………………………….. 266

15.1.10. 动态链接装载………………………………………………………… 266

15.1.11. 调试………………………………………………………………………. 267

15.1.12. exec() 系统调用…………………………………………………….. 268

15.1.13. RCU ……………………………………………………………………… 268

15.1.14. 讨论………………………………………………………………………. 270

15.2. 共享内存并行编程……………………………………………………………… 270

15.3. 基于任务的并行编程………………………………………………………….. 270

A. 重要问题………………………………………………………………………………….. 271

A.1 “after“的含义是什么? …………………………………………………………. 271

B. 同步原语………………………………………………………………………………….. 277

B.1 初始化……………………………………………………………………………….. 277

B.1.1 smp_init() …………………………………………………………………….. 277

B.2 线程创建、销毁及控制………………………………………………………. 278

B.2.1 create_thread() ……………………………………………………………… 278

B.2.2 smp_thread_id() ……………………………………………………………. 278

B.2.3 for_each_thread() ………………………………………………………….. 278

B.2.4 for_each_running_thread() …………………………………………….. 279

B.2.5 wait_thread() ………………………………………………………………… 279 深入理解并行编程

B.2.6 wait_all_threads() …………………………………………………………. 279

B.2.7 用法示例……………………………………………………………….. 279

B.3 锁………………………………………………………………………………………. 280

B.3.1 spin_lock_init() …………………………………………………………….. 280

B.3.2 spin_lock() …………………………………………………………………… 280

B.3.3 spin_trylock() ……………………………………………………………….. 281

B.3.4 spin_unlock() ……………………………………………………………….. 281

B.3.5 用法示例……………………………………………………………….. 281

B.4 每线程变量………………………………………………………………………… 281

B.4.1 DEFINE_PER_THREAD() ……………………………………………. 282

B.4.2 DECLARE_PER_THREAD() ………………………………………… 282

B.4.3 per_thread() ………………………………………………………………….. 282

B.4.4 __get_thread_var() ………………………………………………………… 282

B.4.5 init_per_thread() …………………………………………………………… 282

B.4.6 用法示例……………………………………………………………….. 282

B.5 性能…………………………………………………………………………………… 283

C. 为什么使用内存屏障………………………………………………………………… 284

C.1 Cache 结构………………………………………………………………………… 284

C.2 缓存一致性协议…………………………………………………………………. 286

C.2.1 MESI 状态 ………………………………………………………………….. 286

C.2.2 MESI 协议消息 …………………………………………………………… 287

C.2.3 MESI状态图 ……………………………………………………………….. 288

C.2.4 MESI 协议示例 …………………………………………………………… 289

C.3 不必要的存储延迟……………………………………………………………… 291

C.3.1 Store Buffers ………………………………………………………………… 291

C.3.2 Store Forwarding ………………………………………………………….. 292

C.3.3 存储缓冲区及内存屏障………………………………………….. 293

C.4 不必要的存储延迟……………………………………………………………… 296

C.4.1 无效队列……………………………………………………………….. 296

C.4.2 使无效队列及使无效应答………………………………………. 296

C.4.3 无效队列及内存屏障……………………………………………… 297

C.5 读和写内存屏障…………………………………………………………………. 300

C.6 内存屏障示例…………………………………………………………………….. 300

C.6.1 乱序体系结构………………………………………………………… 300

C.6.2 示例 1 …………………………………………………………………… 301 深入理解并行编程

C.6.3 示例 2 …………………………………………………………………… 302

C.6.4 示例 3 …………………………………………………………………… 303

C.7 特定CPUs的内存屏障指令 ……………………………………………….. 304

C.7.1 Alpha …………………………………………………………………………… 306

C.7.2 AMD64 ……………………………………………………………………….. 308

C.7.3 ARMv7-A/R ………………………………………………………………… 309

6 ISB();………………………………………………………………………………………………… 309

C.7.4 IA64 ……………………………………………………………………………. 309

C.7.5 PA-RISC ………………………………………………………………………. 310

C.7.6 POWER / Power PC ……………………………………………………… 310

C.7.7 SPARC RMO, PSO, and TSO ………………………………………… 311

C.7.8 x86………………………………………………………………………………. 312

C.7.9 zSeries …………………………………………………………………………. 313

C.8 内存屏障是永恒的? ……………………………………………………………. 313

C.9 对硬件设计者的建议………………………………………………………….. 314

D. RCU实现 ………………………………………………………………………………… 315

D.1 可睡眠 RCU 实现 ……………………………………………………………… 315

D.1.1 SRCU 实现原理 ………………………………………………………….. 316

D.1.2 SRCU API 及用法 ……………………………………………………….. 317

D.1.3 实现………………………………………………………………………. 320

D.1.4 SRCU 概述 …………………………………………………………………. 326

D.2 分级 RCU 概述 ………………………………………………………………… 326

D.2.1 RCU 基础回顾 ……………………………………………………………. 326

D.2.2 经典 RCU 实现概要 ……………………………………………… 327

D.2.3 RCU 迫切要解决的问题 ………………………………………………. 328

D.2.4 可扩展RCU 实现 ………………………………………………….. 329

D.2.5 迈向不成熟的RCU 实现 ……………………………………….. 332

D.2.6 状态机…………………………………………………………………… 334

D.2.7 用例………………………………………………………………………. 335

D.2.8 测试………………………………………………………………………. 340

D.2.9 结论………………………………………………………………………. 345

D.3 分级 RCU代码走查 …………………………………………………………… 346

D.3.1 数据结构及内核参数……………………………………………… 346

D.3.2 外部接口……………………………………………………………….. 354

D.3.3 初始化…………………………………………………………………… 362 深入理解并行编程

D.3.4 CPU 热插拨 ………………………………………………………………… 367

D.3.5 杂项函数……………………………………………………………….. 372

D.3.6 Grace-Period检测函数 …………………………………………………. 373

D.3.7 Dyntick-Idle 函数 ………………………………………………………… 385

D.3.8 强制静止状态………………………………………………………… 390

D.3.9 CPU-延迟检测 …………………………………………………………….. 397

D.3.10 可能的缺陷及变更…………………………………………………. 400

D.4 可抢占 RCU ……………………………………………………………………… 400

D.4.1 RCU概念 ……………………………………………………………………. 401

D.4.2 可抢占RCU算法概述 …………………………………………… 402

D.4.3 验证可抢占 RCU …………………………………………………… 419

E. 形式验证………………………………………………………………………………….. 422

E.1 什么是 Promela 和 Spin? ………………………………………………….. 422

E.2 Promela 示例: 非原子性递增 …………………………………………….. 423

E.3 Promela 示例: 原子递增 ……………………………………………………. 426

E.3.1 组合…………………………………………………………………………….. 427

E.4 如何使用 Promela ……………………………………………………………… 428

E.4.1 Promela 特性 ………………………………………………………………. 428

E.4.2 Promela编程技巧 ………………………………………………………… 429

E.5 Promela 示例: 锁 ………………………………………………………………. 430

E.6 Promela 示例: QRCU …………………………………………………………. 433

E.6.1 运行 QRCU 示例 ……………………………………………………….. 438

E.6.2 到底需要多少读者和写者? …………………………………………… 439

E.6.3 可选方法: 正确性校验 …………………………………………………. 439

E.6.4 可选方法: 更多工具 …………………………………………………….. 440

E.6.5 可选方法: 分而治之 …………………………………………………….. 440

E.7 Promela Parable: dynticks 和可抢占 RCU …………………………… 440

E.7.1 可抢占 RCU 和 dynticks介绍 …………………………………….. 441

E.7.2 验证可抢占RCU和dynticks ………………………………………… 445

E.7.3 回顾…………………………………………………………………………….. 466

E.8 简单的避免形式校验………………………………………………………….. 467

E.8.1 简单Dynticks 接口的状态变量 ……………………………………. 467

E.8.2 进入和退出Dynticks-Idle 模式…………………………………….. 468

E.8.3 从Dynticks-Idle 模式进入NMIs ………………………………….. 469

E.8.4 Interrupts From Dynticks-Idle Mode ……………………………….. 470

E.8.5 检查Dynticks 静止状态 ………………………………………………. 471

E.8.6 讨论…………………………………………………………………………….. 473

E.9 概要…………………………………………………………………………………… 473

F. 问题答案………………………………………………………………………………….. 474

G. 术语表……………………………………………………………………………………… 475

H. 感谢…………………………………………………………………………………………. 476


原创文章，转载请注明‥ 转载自并发编程网 – ifeve.com本文链接地址: ︽深入理解并行编程︾中文版