4 Multiprocessors and Thread-Level Parallelism

一直对多处理器结构一些基本概念和机制认知有些模糊，这阵子终于抽空看了《量化》的相关章节，清晰许多。画了张[脑图](http://www.xmind.net/share/zwxiao/multiprocessors-and-cache-coherence/)，总结了多处理器和缓存一致性的基本问题。

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书里提到一个常见的认识误区，也是我平时容易忽视的：

**用执行速度是否线性提高来衡量多处理器的性能**  
Measuring performance of multiprocessors by linear speedup versus execution time.

我们经常用同一段代码来比较不同系统的性能，但其实这是不公平的。因为并行版本的程序在单处理器上可能比串行版本要慢得多，相当于你让单处理器去做它不擅长的事情。**公平的做法应该是比较各个处理器上各自最优的版本**。但其实这样子则会带来算法差异的问题，因为并行版本往往采用针对并行优化过的算法，这样就是拿苹果和橙子比较了。为了区分这两种情况，作者提出相对加速比（relative speedup，用同样的程序测试出来的加速比）和真实加速比（true speedup，分别用各个处理器上最优的程序测试出来的加速比）这两个概念。

另一方面，作者说以是否线性提高来衡量多处理器**性能**也是不对；不过我觉得作者这一点多虑了。其实我们一般是拿线性提高来衡量系统的**伸缩性**，这是没有问题的。但是单纯的看核数/处理器数的增加也是不公平的，比如肇国吴总他们当年测[COREMU](http://sourceforge.net/p/coremu)时，就遇到过超线性加速的情况；这是由于当核数增多时，可用的Cashe也变大，提高了缓存命中率从而带来更好的性能。所以在评测中需要综合考虑Cache，I/O等子系统带来的影响。

比较两个处理器之间的加速比并不总能反映它们的相对性能。执行时间变化趋势图可以看，但是要小心别被误导。 

另外[这篇文章](http://gernot-heiser.org/benchmarking-crimes.html)也总结了很多常见的评测和分析的误区，值得一读。

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#### 原子指令

还有以前傻傻的老搞不清楚为什么要用exchange这样的指令作为最基本的原子指令，为什么不实现一个锁呢？看书的时候顺便才想明白，其实我们拿锁的过程就是读取和写入锁状态两个动作，一读一写正好就是exchange的语义。由于硬件本身只能实现单独一个读或写操作的原子性，原子指令就是为了解决读写两个动作的原子性这个问题而引入的。

书上介绍的是用特殊的读指令load linked(LL)和写指令store conditional(SC)来实现原子操作。先用LL读取某个地址，在SC要写入值之前，会先检查LL所指向的内存值是否发生改变，是的话则操作失败。这样这一对指令合起来就能实现原子的exchange操作。书里没说LL/SC是怎么实现的，扫了Intel的文档也没看到相关介绍，我猜测应该是这样：LL相当于注册了一个内存监听器，以后执行写操作时，会先检查内存地址是否被LL注册，是的话则置上某个flag；当SC执行时先独占bus，保证没有其他写操作进行，然后检查该flag是否被置上，是的话说明指定的内存被改过了，操作失败，反之则操作成功。

http://xoyo.name/2012/02/multiprocessors-and-cache-coherence/