《并行发展引擎》课件.ppt

《并行发展引擎》：开启多核时代的性能革命在当今信息技术飞速发展的时代，计算需求日益增长，单核处理器的性能提升已逐渐触及瓶颈。《并行发展引擎》这一概念应运而生，旨在通过并行计算充分挖掘多核处理器的潜力，实现性能的显著提升。本课件将深入探讨并行计算的原理、模型、编程技术以及应用领域，引领读者进入多核时代的性能革命。

并行计算概述：什么是并行？为什么要并行？什么是并行计算？并行计算是指同时使用多个计算资源来解决计算问题的计算模式。它将一个计算问题分解成多个子任务，并将这些子任务分配给多个处理器并行执行，从而缩短计算时间。为什么要并行计算？随着数据规模的不断扩大和计算复杂度的不断提高，单核处理器的性能已难以满足需求。并行计算能够充分利用多核处理器的计算能力，提高计算速度，解决复杂的计算问题。

并行计算的挑战：资源竞争、同步问题、通信开销1资源竞争多个处理器同时访问共享资源（如内存、I/O设备）时，会发生资源竞争，导致性能下降。2同步问题并行执行的子任务之间存在依赖关系时，需要进行同步，以保证计算结果的正确性。同步操作会引入额外的开销。3通信开销并行执行的子任务之间需要进行数据交换时，会产生通信开销。通信开销的大小取决于通信方式、网络拓扑等因素。

并行计算的模型：数据并行、任务并行、流水线并行数据并行将数据分成多个部分，每个处理器处理一部分数据，所有处理器执行相同的操作。任务并行将任务分成多个部分，每个处理器执行一个或多个任务，所有处理器执行不同的操作。流水线并行将任务分解成一系列阶段，每个处理器执行一个阶段，数据依次流过各个阶段。

多核处理器架构：核心数量、缓存结构、互连网络核心数量核心数量是指处理器中包含的独立处理单元的数量。核心数量越多，并行计算能力越强。缓存结构缓存结构是指处理器中用于存储数据的快速存储器。缓存结构的设计会影响并行程序的性能。互连网络互连网络是指处理器中用于连接各个核心的通信网络。互连网络的拓扑结构会影响并行程序的通信效率。

并行编程模型：线程、进程、共享内存、消息传递线程线程是进程中的一个执行单元，多个线程共享进程的地址空间。进程进程是操作系统分配资源的最小单位，每个进程拥有独立的地址空间。共享内存共享内存是指多个线程或进程可以同时访问的内存区域。消息传递消息传递是指进程之间通过发送和接收消息进行通信的机制。

线程编程：POSIX线程(Pthreads)简介POSIX线程（Pthreads）是一个用于实现多线程编程的API标准。它提供了一组函数，用于创建、销毁、同步线程，以及管理线程的属性。Pthreads广泛应用于Linux、Unix等操作系统中。

线程的创建与销毁：pthread_create,pthread_joinpthread_createpthread_create函数用于创建一个新的线程。它需要指定线程的属性、线程函数以及线程函数的参数。pthread_joinpthread_join函数用于等待一个线程结束。它会阻塞调用线程，直到指定的线程结束为止。这可以防止主线程在子线程完成之前退出。

线程同步机制：互斥锁(mutex)、条件变量(conditionvariable)互斥锁(mutex)互斥锁用于保护共享资源，防止多个线程同时访问。当一个线程获得互斥锁后，其他线程必须等待该线程释放互斥锁才能访问共享资源。条件变量(conditionvariable)条件变量用于线程之间的通信。一个线程可以等待某个条件成立，当另一个线程改变了该条件时，可以通知等待线程继续执行。

互斥锁的使用：pthread_mutex_lock,pthread_mutex_unlock1pthread_mutex_lockpthread_mutex_lock函数用于获得一个互斥锁。如果互斥锁已经被其他线程获得，则调用线程会被阻塞，直到互斥锁被释放。2pthread_mutex_unlockpthread_mutex_unlock函数用于释放一个互斥锁。释放互斥锁后，其他等待线程可以尝试获得该互斥锁。

条件变量的使用：pthread_cond_wait,pthread_cond_signalpthread_cond_waitpthread_cond_wait函数用于等待一个条件变量。调用线程会释放互斥锁，并进入睡眠状态，直到被其他线程唤醒。pthread_cond_signalpthread_cond_signal函数用于唤醒一个等待条件变量的线程。被唤醒的线程会重新获得互斥锁，并继续执行。

避免死锁：死锁的条件、避免死锁的策略互斥条件至少有一个资源处于独占状态。1占有且等待条件一个线程占有至少一个资源，并且等待其他资源。2不可剥夺条件资源只能由占有它的线程释放。3循环等待条件存