片上多核處理器共享資源分配與調(diào)度策略研究綜述（一）

摘要： 對于片上多核處理器，如何在多線程間公平有效地分配調(diào)度有限的共享資源是一個很重要的問題。隨著處理器核規(guī)模的增長，多線程對于系統(tǒng)中有限的共享資源的爭奪將愈發(fā)激烈，由此導致的對于系統(tǒng)性能的影響也將更加顯著。為了緩解乃至解決這一問題，除了增加可用共享資源外，一個能夠公平有效地在多線程間分配共享資源的調(diào)度算法也至關(guān)重要。在各類共享資源中，對于系統(tǒng)性能有著最大影響的是共享緩存和DRAM 系統(tǒng)。對于共享緩存，可以通過緩存分區(qū)，來降低由于線程間的爭奪所帶來的影響;對于DRAM系統(tǒng)，可以采取適當?shù)?a class="contentlabel" href="http://2s4d.com/news/listbylabel/label/調(diào)度">調(diào)度算法來調(diào)節(jié)各個線程發(fā)出的訪存請求的服務(wù)優(yōu)先級，從而改善系統(tǒng)性能。首先分別以系統(tǒng)吞吐量和公平性為優(yōu)化目標介紹了一系列對共享緩存的分區(qū)調(diào)度算法，并針對緩存分區(qū)粒度過大的問題給出了相關(guān)解決方案。然后從利用線程的訪存行為特征和借鑒網(wǎng)絡(luò)路由算法等多個角度介紹了DRAM 的調(diào)度算法。接下來，研究了從全局出發(fā)的聯(lián)合調(diào)度算法，以解決針對不同共享資源的調(diào)度算法間相互矛盾的問題。最后，從不同角度對于今后的研究進行了展望。

引言

隨著集成電路工藝的發(fā)展，片上多核處理器(chip multi-processor, CMP)開始占據(jù)市場，在一個CMP 上并發(fā)地執(zhí)行多個線程成為主流趨勢。CMP上的多個核/線程通常共享最后一級緩存(lastlevel cache,LLC)、DRAM 控制器、主存總線帶寬和預(yù)取部件(prefetching hardware)等多種資源。

系統(tǒng)中的共享資源總是有限的，線程間需要爭奪共享資源的使用權(quán)。不同的線程其程序特征(在本文中主要指訪存行為)存在差異，而線程爭奪共享資源的能力通常與此相關(guān)。如果沒有特別的調(diào)度機制，某些線程可能占用大部分乃至全部的系統(tǒng)資源，導致其他線程的請求得不到服務(wù)，最終對系統(tǒng)的性能(吞吐量和公平性)造成影響。

如果存在一個調(diào)度策略能夠在多個并行線程間公平有效地分配共享資源，則可以緩解由于對共享資源的爭奪所帶來的負面影響，從而改善系統(tǒng)性能。

因此，在CMP 系統(tǒng)中對共享資源的分配調(diào)度成為一個值得研究的熱點問題。

在CMP 系統(tǒng)中，最為重要的共享資源是其共享存儲系統(tǒng)(主要包括共享緩存和主存帶寬)。當線程的訪存請求得不到服務(wù)時，由于所需數(shù)據(jù)沒有及時返回，相關(guān)處理器核將會一直處于阻塞等待狀態(tài)，導致計算資源的浪費，對系統(tǒng)性能會造成巨大影響。

學術(shù)界當前的研究重點也主要集中在共享緩存和主存帶寬的分配調(diào)度上，因此，本文將從這兩個方面對CMP 系統(tǒng)的共享資源調(diào)度問題進行闡述。

當私有緩存空間不夠用時，程序?qū)⒃L問共享緩存，線程間會爭奪有限的共享緩存空間。常用的最近最少使用替換算法(least recently used,LRU)不區(qū)分訪存請求來自哪個線程，同等對待所有訪存請求，當需要發(fā)生緩存替換時，總是逐出最近訪問頻率最低的緩存塊。因此，多個線程實際上是在自由競爭共享緩存空間的使用權(quán)。一些能夠快速產(chǎn)生大量緩存失效的線程可能替換掉其他線程的有效數(shù)據(jù)，獨占大部分乃至全部緩存空間。緩存空間在線程間的分配方式不當會導致部分線程或總的緩存失效率急劇上升，影響到系統(tǒng)的性能。現(xiàn)有的研究大多通過緩存分區(qū)來解決這個問題。由于不同線程在不同的時刻對緩存空間的需求并不一樣，簡單地將共享緩存平均分給各個線程并不能有效解決問題。

制定相應(yīng)的分區(qū)策略，根據(jù)程序運行中的動態(tài)特征把緩存空間適當分配給各個線程，從而盡量避免線程間對緩存的爭奪，同時滿足線程各自的緩存需求，從而改善系統(tǒng)性能?；谶@種動態(tài)緩存分區(qū)的概念，學術(shù)界為改善系統(tǒng)性能，分別以提高系統(tǒng)吞吐量和改善系統(tǒng)公平性為優(yōu)化目標提出了各類緩存分區(qū)策略。

當發(fā)生最后一級緩存失效時，訪存請求需要讀寫主存，即動態(tài)隨機存儲器(dynamic random-accessmemory,DRAM)，而DRAM 的訪存帶寬是有限的。來自不同線程的訪存請求間存在相互依賴和制約的關(guān)系，延時情況會由于線程間的干擾(interface)加劇，進而導致帶寬利用率低。任由多個線程自由爭奪有限的訪存帶寬，會降低系統(tǒng)性能。通過DRAM控制器充分利用DRAM 的結(jié)構(gòu)特點和線程的訪存行為特征對訪存請求的服務(wù)優(yōu)先級進行合理的調(diào)度可以降低延遲，提高帶寬利用率，進而改善系統(tǒng)性能。因此，學術(shù)界對于多線程環(huán)境中的有效訪存調(diào)度策略也進行了大量研究。

單獨針對一類共享資源各自提出調(diào)度策略，從全局效果來看可能相互矛盾，達不到優(yōu)化目的。因此，在一些關(guān)于共享資源調(diào)度策略的研究中，需要綜合考慮各類共享資源，進行聯(lián)合調(diào)度。

為了深入理解CMP 系統(tǒng)中共享資源的分配調(diào)度策略、存在的問題以及應(yīng)用前景，以便更好地應(yīng)對隨著CMP 系統(tǒng)規(guī)模增大而帶來的調(diào)度復(fù)雜度，對CMP 系統(tǒng)中共享資源的分配調(diào)度策略進行綜述是具有重要意義的。本文首先介紹了基于緩存分區(qū)的共享緩存分配調(diào)度策略的基本思想和特點，然后介紹了采用不同性能優(yōu)化目標的緩存分區(qū)方案的研究進展，接下來我們研究了DRAM 的訪存調(diào)度算法，之后對于系統(tǒng)中多種共享資源的聯(lián)合調(diào)度算法進行了介紹。最后，對CMP 系統(tǒng)中共享資源的分配調(diào)度策略未來可以開展的研究方向進行了展望。