并行编程2——多核体系架构
1.1 多核处理器定义
多内核处理器架构是指：芯片设计工程师在单个处理器中集成两个或多个 “执行内核（即计算引擎）”。多内核处理器可直接插入到单一处理器基座中。但是，操作系统会把它的每个执行内核作为独立的逻辑处理器，为其分配相应的执行资源。要利用多核处理器的运算能力，需要改写操作系统和编译器，广泛使用的vista, vin7 等都能支持多核体系架构。
1.2 多核发展趋势
首先思考一个问题： 为什么微处理器要从单核转向多核?
答案是： 功耗问题限制了单核不断提高性能的发展途径.
有几个简单的公式可以说明这个问题:
1) 处理器性能 = 主频 * IPC , 主频是指每秒时钟周期数,比如1Ghz,是每秒10亿个时钟周期。IPC 是每个时钟周期可以执行的指令数。
2) 处理器功耗 正比 电流*电压^2*主频， 而主频正比电压，所以
处理器功耗 正比 主频^3 ，通过主频提升性能，要面临功耗以3次方的指数增长问题。所以主频发展到一定程度后，自然转到重点依靠提高ipc来提升性能，提升IPC可以通过提高指令的并行度实现，提高并行度，一是提高微处理器微架构的并行度，二是采用多核架构，（参考 ： http://blogs.intel.com/china/2007/06/03/post_5/）前者已经发展了很多年，提升空间和投入产出比明显不如后者，所有多核处理器是未来的方向。
下面两张图看出家庭版PC和手机核心数目也很快突破10个。目前最新的mac pro 已经配备12个核心
图1 ： 目前最新的mac pro 已经配备12个核心
图2 三星也推出了8核手机处理器
虽然商用多核（multicore）和众核（many-core）系统越来越普遍，成本也越来越低，游戏设备、手机等移动设备也具备越来越多的核心，并发和并行越来越成为必要的技术手段，但多核程序的发展依然没有跟上硬件的发展，很多游戏引擎和网络引擎都还是单线程的。原因就是第一章提到的多核编程的难度。
1.3 一个多核处理器架构例子
这是基于共享缓存的多核体系架构的一个例子，一共有10个核心，不需要深入了解，这张图唯一的目的就是给大家一个概念，现代的处理器架构已经比几十年前的冯诺依曼体系复杂多了（各种box），里边稍微值得关注的是Cbox ，Bbox ，这两个组件是缓存控制器，负责非常核心的功能：缓存一致性。缓存一致性会在后续文章描述。
这张图是intel多核体系架构（双路）的缓存示意图，每个core拥有自己的L1和L2缓存，属于一个物理CPU的core共享L3缓存。不同cpu之间通过QPI交互L3数据。每个CPU有自己的内存控制器。对多核编程而言，缓存是非常重要的底层概念。
1.4 Linux 线程核绑定
这么多核具体到编程是如何使用的？
在linux平台提供了核亲和性机制，进程和线程都可以通过设置亲和性绑定到不同的核心上。
进程版本：
#include <sched.h>
void setProcessToCPU(int _cpuID)
{
cpu_set_t mask;
cpu_set_t get;
CPU_ZERO(&mask);
CPU_SET(_cpuID, &mask);
if (sched_setaffinity(0, sizeof(mask), &mask) < 0) {
cout << "set process affinity failed\n" << endl;
}
CPU_ZERO(&get);
if (sched_getaffinity(0, sizeof(get), &get) < 0) {
cout << "get process affinity failed\n" << endl;
}
}
线程版本：
#include <pthread.h>
#include <sched.h>
void setThreadToCPU(int _cpuID)
{
cpu_set_t mask;
cpu_set_t get;
CPU_ZERO(&mask);
CPU_SET(_cpuID, &mask);
if (pthread_setaffinity_np(pthread_self(), sizeof(mask), &mask) < 0) {
cout << "set thread affinity failed\n" << endl;
}
CPU_ZERO(&get);
if (pthread_getaffinity_np(pthread_self(), sizeof(get), &get) < 0) {
cout << "get thread affinity failed\n" << endl;
}
}
