利用多核多线程进行程序优化

可以将应用程序看成是众多相互依赖的任务的集合。将应用程序划分成多个独立的任务，并确定这些任务之间的相互依赖关系，这个过程被称为分解（Decomosition）。分解问题的方式主要有三种：任务分解、数据分解和数据流分解。关于这部分的详细资料，请参看参考资料一。

仔细分析样例程序，运用任务分解的方法 ，不难发现计算 apple 的值和计算 orange 的值，属于完全不相关的两个操作，因此可以并行。

改造后的两线程程序：

清单 2. 两线程程序
void* add(void* x)
{
for(sum=0;suma += sum;
((struct apple *)x)->b += sum;
}

return NULL;
}

int main (int argc, const char * argv[]) {
// insert code here...
struct apple test;
struct orange test1={{0},{0}};
pthread_t ThreadA;

pthread_create(&ThreadA,NULL,add,&test);

for(index=0;indexrwLock);
for(sum=0;suma += sum;
}
pthread_rwlock_unlock(&((struct apple *)x)->rwLock);

return NULL;
}

void* addy(void* y)
{
pthread_rwlock_wrlock(&((struct apple *)y)->rwLock);
for(sum=0;sumb += sum;
}
pthread_rwlock_unlock(&((struct apple *)y)->rwLock);

return NULL;
}

int main (int argc, const char * argv[]) {
// insert code here...
struct apple test;
struct orange test1={{0},{0}};
pthread_t ThreadA,ThreadB;

pthread_create(&ThreadA,NULL,addx,&test);
pthread_create(&ThreadB,NULL,addy,&test);

for(index=0;index<ORANGE_MAX_VALUE;index++)
{
sum+=test1.a[index]+test1.b[index];
}

pthread_join(ThreadA,NULL);
pthread_join(ThreadB,NULL);

return 0;
}

这样改造后，真的能达到我们想要的效果吗？通过 K-Best 测量方法，其结果让我们大失所望，如下图：

图 1. 单线程与多线程耗时对比图

为什么多线程会比单线程更耗时呢？其原因就在于，线程启停以及线程上下文切换都会引起额外的开销，所以消耗的时间比单线程多。

为什么加锁后的三线程比两线程还慢呢？其原因也很简单，那把读写锁就是罪魁祸首。通过 Thread Viewer 也可以印证刚才的结果，实际情况并不是并行执行，反而成了串行执行，如图2：

图 2. 通过 Viewer 观察三线程运行情况

其中最下面那个线程是主线程，一个是 addx 线程，另外一个是 addy 线程，从图中不难看出，其他两个线程为串行执行。

通过数据分解来划分多线程，还存在另外一种方式，一个线程计算从1到 APPLE_MAX_VALUE/2 的值，另外一个线程计算从 APPLE_MAX_VALUE/2+1 到 APPLE_MAX_VALUE 的值，但本文会弃用这种模型，有兴趣的读者可以试一试。

在采用多线程方法设计程序时，如果产生的额外开销大于线程的工作任务，就没有并行的必要。线程并不是越多越好，软件线程的数量尽量能与硬件线程的数量相匹配。最好根据实际的需要，通过不断的调优，来确定线程数量的最佳值。

加锁与不加锁

针对加锁的三线程方案，由于两个线程访问的是 apple 的不同元素，根本没有加锁的必要，所以修改 apple 的数据结构（删除读写锁代码），通过不加锁来提高性能。

测试结果如下：

图 3. 加锁与不加锁耗时对比图

其结果再一次大跌眼镜，可能有些人就会越来越糊涂了，怎么不加锁的效率反而更低呢？将在针对 Cache 的优化一节中细细分析其具体原因。

在实际测试过程中，不加锁的三线程方案非常不稳定，有时所花费的时间相差4倍多。

要提高并行程序的性能，在设计时就需要在较少同步和较多同步之间寻求折中。同步太少会导致错误的结果，同步太多又会导致效率过低。尽量使用私有锁，降低锁的粒度。无锁设计既有优点也有缺点，无锁