基于smp架构的pthread库多线程研究

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1、《并行算法实践》要求学生在龙芯3A实验平台上设计并行算法并实现。实验平台由一块处理板、一块监控板和一块背板等组成。实验平台的逻辑结构如图1所示。处理板承载4个处理单元，每个处理单元包括一个龙芯3A四核CPU、2GBDDR2内存、RTL8110千兆以太网卡芯片、BIOSFlash、串口收发芯片以及电源变换电路等。四个龙芯3A处理器通过网络实现互连。监控电路检测4个处理单元的状态，并实现对其控制。图1实验平台逻辑结构实验平台的系统软件以开源软件为主（见图2），具有兼容性强、易维护、易升级、易使用等特点。处理单元操作系统为DebianGNU/Linux无盘系统，采用

2、稳定高效的2.6.27内核。图2软件系统结构基于SMP架构的Pthread库多线程研究1实验原理：基于Pthread线程库的PortableOperatingSystemInterface（POSIX）线程是构建可利用SMP的线程化应用程序的一种好方法。POSIX线程提供了线程化机制和共享内存。当调用程序创建若干线程时，每个线程得到自身的堆栈（本地变量和状态），但共享父线程的数据空间。创建的所有线程共享这个相同的数据空间。为支持多线程访问共享内存，需要具备协调机制。POSIX提供了互斥函数来控制线程间的通信，用于实施单线程对对象（一块内存）的独占访问。不这样做

3、可能导致内存破坏（由于多个线程执行了不同步的操作），SMP架构是对称多处理器共享内存结构，适合用Pthread多线程库来编写多线线程序来观察多个线程在SMP架构中的不同CPU上的执行情况以及共享变量与私有变量并可以进行性能分析。2SMP架构SMP(SymmetricMulti-Processor)所谓对称多处理器结构，是指服务器中多个CPU对称工作，无主次或从属关系。各CPU共享相同的物理内存，每个CPU访问内存中的任何地址所需时间是相同的，因此SMP也被称为一致存储器访问结构(UMA：UniformMemoryAccess)。对SMP服务器进行扩展的方式包括

4、增加内存、使用更快的CPU、增加CPU、扩充I/O(槽口数与总线数)以及添加更多的外部设备(通常是磁盘存储)。它是相对非对称多处理技术而言的、应用十分广泛的并行技术，一种4CPUSMP架构的结构如图示：图2.1一种4CPUSMP架构的结构SMP服务器的主要特征是共享，系统中所有资源(CPU、内存、I/O等)都是共享的。也正是由于这种特征，导致了SMP服务器的主要问题，那就是它的扩展能力非常有限。对于SMP服务器而言，每一个共享的环节都可能造成SMP服务器扩展时的瓶颈，而最受限制的则是内存。由于每个CPU必须通过相同的内存总线访问相同的内存资源，因此随着CPU数

5、量的增加，内存访问冲突将迅速增加，最终会造成CPU资源的浪费，使CPU性能的有效性大大降低。实验证明，SMP服务器CPU利用率最好的情况是2至4个CPU。在这种架构中，一台电脑不再由单个CPU组成，而同时由多个处理器运行操作系统的单一复本，并共享内存和一台计算机的其他资源。虽然同时使用多个CPU，但是从管理的角度来看，它们的表现就像一台单机一样。系统将任务队列对称地分布于多个CPU之上，从而极大地提高了整个系统的数据处理能力。所有的处理器都可以平等地访问内存、I/O和外部中断。在对称多处理系统中，系统资源被系统中所有CPU共享，工作负载能够均匀地分配到所有可用

6、处理器之上。我们平时所说的双CPU系统，实际上是对称多处理系统中最常见的一种，通常称为"2路对称多处理"，它在普通的商业、家庭应用之中并没有太多实际用途，但在专业制作，如3DMaxStudio、Photoshop等软件应用中获得了非常良好的性能表现，是组建廉价工作站的良好伙伴。随着用户应用水平的提高，只使用单个的处理器确实已经很难满足实际应用的需求，因而各服务器厂商纷纷通过采用对称多处理系统来解决这一矛盾。在国内市场上这类机型的处理器一般以4个或8个为主，有少数是16个处理器。但是一般来讲，SMP结构的机器可扩展性较差，很难做到100个以上多处理器，常规的一般

7、是8个到16个，不过这对于多数的用户来说已经够用了。这种机器的好处在于它的使用方式和微机或工作站的区别不大，编程的变化相对来说比较小，原来用微机工作站编写的程序如果要移植到SMP机器上使用，改动起来也相对比较容易。SMP结构的机型可用性比较差。因为4个或8个处理器共享一个操作系统和一个存储器，一旦操作系统出现了问题，整个机器就完全瘫痪掉了。而且由于这个机器的可扩展性较差，不容易保护用户的投资。但是这类机型技术比较成熟，相应的软件也比较多，因此现在国内市场上推出的并行机大量都是这一种。PC服务器中最常见的对称多处理系统通常采用2路、4路、6路或8路处理器。目前U

8、NIX服务器可支持最多64个CPU的系