Multicore-Programmierung: Performance erhöhen durch Software-Multithreading
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München
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2008
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Inhaltsverzeichnis
V Vorwort 11
V.l Zielgruppe 11
V.2 Über dieses Buch 12
V.3 Intel®-Produkte zur Softwareentwicklung 13
V.4 Danksagung 13
1 Einführung in die Multicore-Architektur 15
1.1 Gründe für Gleichzeitigkeit auf Softwareebene 16
1.2 Parallele Rechnerplattformen 18
Parallelverarbeitung in Mikroprozessoren 19
Unterschiede zwischen Multicore-Architektur und
Hyperthreading-Technologie 22
Multithreading auf Singlecore- und Multicore-Plattformen 23
1.3 Was ist Performance? 25
Das Amdahlsche Gesetz 25
Gustafsons Gesetz 28
1.4 Zusammenfassung 30
2 Systemüberblick: Threadinq 31
2.1 Threads definieren 31
2.2 Threads aus der Sicht des Systems 32
Threading oberhalb der Betriebssystemebene 32
Threads innerhalb des Betriebssystems 35
Threads innerhalb der Hardware 38
2.3 Was passiert, wenn ein Thread erzeugt wird? 39
2.4 Modelle der Anwendungsprogrammierung und Threading 41
2.5 Virtuelle Umgebung: Virtuelle Maschinen und Plattformen 41
Laufzeitvirtualisierung 41
Systemvirtualisierung 41
2.6 Zusammenfassung 44
3 Die grundlegenden Konzepte der parallelen Programmierung 45
3.1 Design für Threads 45
Aufgabenzerlegung 46
Datenzerlegung 46
Datenflusszerlegung 47
Bedeutung der verschiedenen Zerlegungsarten 48
3.2 Herausforderungen 49
3.3 Patterns der parallelen Programmierung 49
3.4 Ein Fallbeispiel: Fehlerverteilung 51
Analyse des Fehlerverteilungsalgorithmus 54
Ein alternativer Ansatz: Parallele Fehlerverteilung 54
Andere Alternativen 56
3.5 Zusammenfassung 57
4 Threadinq und parallele Proqrammierkonstrukte 59
4.1 Synchronisierung 59
4.2 Kritische Abschnitte 61
4.3 Deadlocks 62
4.4 Synchronisierungsprimitive 63
Semaphore 63
Sperren 66
Bedingungsvariablen 68
4.5 Nachrichten 70
4.6 Ablaufsteuerungsbasierte Konzepte 72
Fence 72
Barrier 73
Implementierungsabhängige Threading Features 74
4.7 Zusammenfassung 75
5 Threadinq-APIs 77
5.1 Threading-APIs für Microsoft Windows 77
Win32/MFC Thread-APIs 77
5.2 Threading APIs für das .NET Framework von Microsoft 103
Threads erzeugen 103
Threads verwalten 105
Thread Pools 108
Thread-Synchronisierung 112
5.3 POSIX-Threads 114
Threads erzeugen 115
Threads verwalten 116
Thread-Synchronisierung 117
Signalisieren 118
Kompilieren und Verlinken 125
5.4 Zusammenfassung 125
6 OpenMP: Eine portierbare Lösung für Threading 127
6.1 Aufgaben beim Ausführen einer Schleife in Threads 128
Iterationsübergreifende Abhängigkeit 129
Data Race Conditions 131
Gemeinsame und private Daten verwalten 132
Scheduling und Partitionierung von Schleifen 133
Effektive Verwendung der reduction-Klauseln 137
6.2 Threading Overhead minimieren 139
Worksharing-Konstrukte 140
6.3 Performanceorientierte Programmierung 141
Barrier und Nowait 141
Singlethread- und Multithread-Ausführung miteinander verzahnen 143
Daten kopieren 144
Aktualisierungen von gemeinsamen Variablen schützen 146
Taskqueuing - die OpenMP-Erweiterung von Intel 148
6.4 OpenMP-Bibliotheksfunktionen 150
6.5 OpenMP-Umgebungsvariablen 151
6.6 Kompilierung 151
6.7 Debugging 153
6.8 Performance 155
6.9 Zusammenfassung 156
7 Lösungen zu den häufigsten Problemen
der parallelen Programmierung 157
7.1 Zu viele Threads 157
7.2 Data Races, Deadlocks und Livelocks 160
Deadlocks 162
7.3 Heavily Contended Locks 165
Prioritätsinversion 166
Lösungen für Heavily Contended Locks 167
7.4 Nicht-blockierende Algorithmen 169
Das ABA-Problem 171
Cache-Zeilen-Pingpong 173
Probleme mit der Speicherrückforderung 173
Empfehlungen 174
7.5 Threadsichere Funktionen und Bibliotheken 174
7.6 Speicherprobleme 176
Bandbreite 176
Im Cache arbeiten 177
Speicherkonflikte 179
7.7 Cachebezogene Probleme 181
False Sharing 182
Speicherkonsistenz 184
Aktuelle IA-32-Architektur 185
Itanium®-Architektur 187
Höhere Sprachen 190
7.8 Pipeline Stalls auf IA-32-Prozessoren vermeiden 191
7.9 Datenorganisation für High Performance 191
7.10 Zusammenfassung 193
8 Debuqqing-Techniken für Multithread-Code 195
8.1 Allgemeine Debugging-Techniken 195
Debug-freundliches Design 195
Anwendungen erweitern - mit Trace Buffers 198
8.2 Multithread-Anwendungen unter Windows debuggen 202
Das Threads-Fenster 202
Ablaufverfolgungspunkte (Tracepoints) 203
Haltepunktfilter 204
Thread-Namen festlegen 204
Ein Beispiel 205
8.3 Multithread Debugging mit GDB 209
Benachrichtigung bei Thread-Erzeugung 209
Auflistung aller Threads in der Anwendung 209
Threadspezifische Haltepunkte setzen 210
Zwischen Threads wechseln 211
Einen Befehl auf eine Gruppe von Threads anwenden 211
8.4 Zusammenfassung 212
9 Grundlagen der Singlecore-Prozessoren 213
9.1 Grundlagen der Prozessorarchitektur 213
9.2 Superskalare und EPIC-Architektur im Vergleich 219
9.3 Zusammenfassung 221
10 Threadinq auf Intel®- Multicore-Prozessoren 223
10.1 Hardware Threading 223
Threading bei Intel 227
10.2 Hyperthreading-Technologie 227
Der Unterschied zwischen Multiprozessor- und
Hyperthreading-Technologie 229
Architektur der HT-Technologie 229
10.3 Multicore-Prozessoren 231
Architekturdetails 231
Vergleich von Multiprozessoren und Multicore-Prozessoren 234
Multicore für Itanium®-Architektur 235
10.4 Interaktion zwischen mehreren Prozessoren 238
Interprozessorkommunikation und Multithread-Programmierung 238
10.5 Energieverbrauch 240
Energiemessverfahren 241
Stromverbrauch senken 242
Was kommt nach der Multicore-Prozessorarchitektur? 243
10.6 Zusammenfassung 245
11 Intel®-Produkte für die Softwareentwicklung 247
11.1 Überblick 247
Untersuchen 247
Erstellen/Ausdrücken 248
Debuggen 248
Tuning 249
11.2 Der Intel® Thread Checker 249
Funktionsweise 250
Hinweise für die Nutzung 251
Intel® Thread Checker im Zusammenspiel mit OpenMP 252
11.3 Intel-Compiler 253
OpenMP 253
Softwarebasierte spekulative Vorausberechnung 257
Compileroptimierung und Cache-Optimierung 257
11.4 Intel® Debugger 258
11.5 Intel-Bibliotheken 259
Intel® Math Kernel Library 259
Intel® Integrated Performance Primitives 260
Parallele Programme und die Probleme beim Einsatz
paralleler Bibliotheken 260
Die Zukunft 261
Intel®-Threading-Bausteine 261
11.6 Intel® VTune™ Performance Analyzer 261
Hotspots finden 262
Mit Call Graph einen Threading-Punkt finden 263
Lastenausgleich überprüfen 264
11.7 Intel® Thread Profiler 265
11.8 MPI-Programmierung 266
Intels MPI-Unterstützung 266
11.9 Zusammenfassung 270
A Glossar 271
Stichwortverzeichnis 283 |
| adam_txt |
Inhaltsverzeichnis
V Vorwort 11
V.l Zielgruppe 11
V.2 Über dieses Buch 12
V.3 Intel®-Produkte zur Softwareentwicklung 13
V.4 Danksagung 13
1 Einführung in die Multicore-Architektur 15
1.1 Gründe für Gleichzeitigkeit auf Softwareebene 16
1.2 Parallele Rechnerplattformen 18
Parallelverarbeitung in Mikroprozessoren 19
Unterschiede zwischen Multicore-Architektur und
Hyperthreading-Technologie 22
Multithreading auf Singlecore- und Multicore-Plattformen 23
1.3 Was ist Performance? 25
Das Amdahlsche Gesetz 25
Gustafsons Gesetz 28
1.4 Zusammenfassung 30
2 Systemüberblick: Threadinq 31
2.1 Threads definieren 31
2.2 Threads aus der Sicht des Systems 32
Threading oberhalb der Betriebssystemebene 32
Threads innerhalb des Betriebssystems 35
Threads innerhalb der Hardware 38
2.3 Was passiert, wenn ein Thread erzeugt wird? 39
2.4 Modelle der Anwendungsprogrammierung und Threading 41
2.5 Virtuelle Umgebung: Virtuelle Maschinen und Plattformen 41
Laufzeitvirtualisierung 41
Systemvirtualisierung 41
2.6 Zusammenfassung 44
3 Die grundlegenden Konzepte der parallelen Programmierung 45
3.1 Design für Threads 45
Aufgabenzerlegung 46
Datenzerlegung 46
Datenflusszerlegung 47
Bedeutung der verschiedenen Zerlegungsarten 48
3.2 Herausforderungen 49
3.3 Patterns der parallelen Programmierung 49
3.4 Ein Fallbeispiel: Fehlerverteilung 51
Analyse des Fehlerverteilungsalgorithmus 54
Ein alternativer Ansatz: Parallele Fehlerverteilung 54
Andere Alternativen 56
3.5 Zusammenfassung 57
4 Threadinq und parallele Proqrammierkonstrukte 59
4.1 Synchronisierung 59
4.2 Kritische Abschnitte 61
4.3 Deadlocks 62
4.4 Synchronisierungsprimitive 63
Semaphore 63
Sperren 66
Bedingungsvariablen 68
4.5 Nachrichten 70
4.6 Ablaufsteuerungsbasierte Konzepte 72
Fence 72
Barrier 73
Implementierungsabhängige Threading Features 74
4.7 Zusammenfassung 75
5 Threadinq-APIs 77
5.1 Threading-APIs für Microsoft Windows 77
Win32/MFC Thread-APIs 77
5.2 Threading APIs für das .NET Framework von Microsoft 103
Threads erzeugen 103
Threads verwalten 105
Thread Pools 108
Thread-Synchronisierung 112
5.3 POSIX-Threads 114
Threads erzeugen 115
Threads verwalten 116
Thread-Synchronisierung 117
Signalisieren 118
Kompilieren und Verlinken 125
5.4 Zusammenfassung 125
6 OpenMP: Eine portierbare Lösung für Threading 127
6.1 Aufgaben beim Ausführen einer Schleife in Threads 128
Iterationsübergreifende Abhängigkeit 129
Data Race Conditions 131
Gemeinsame und private Daten verwalten 132
Scheduling und Partitionierung von Schleifen 133
Effektive Verwendung der reduction-Klauseln 137
6.2 Threading Overhead minimieren 139
Worksharing-Konstrukte 140
6.3 Performanceorientierte Programmierung 141
Barrier und Nowait 141
Singlethread- und Multithread-Ausführung miteinander verzahnen 143
Daten kopieren 144
Aktualisierungen von gemeinsamen Variablen schützen 146
Taskqueuing - die OpenMP-Erweiterung von Intel 148
6.4 OpenMP-Bibliotheksfunktionen 150
6.5 OpenMP-Umgebungsvariablen 151
6.6 Kompilierung 151
6.7 Debugging 153
6.8 Performance 155
6.9 Zusammenfassung 156
7 Lösungen zu den häufigsten Problemen
der parallelen Programmierung 157
7.1 Zu viele Threads 157
7.2 Data Races, Deadlocks und Livelocks 160
Deadlocks 162
7.3 Heavily Contended Locks 165
Prioritätsinversion 166
Lösungen für Heavily Contended Locks 167
7.4 Nicht-blockierende Algorithmen 169
Das ABA-Problem 171
Cache-Zeilen-Pingpong 173
Probleme mit der Speicherrückforderung 173
Empfehlungen 174
7.5 Threadsichere Funktionen und Bibliotheken 174
7.6 Speicherprobleme 176
Bandbreite 176
Im Cache arbeiten 177
Speicherkonflikte 179
7.7 Cachebezogene Probleme 181
False Sharing 182
Speicherkonsistenz 184
Aktuelle IA-32-Architektur 185
Itanium®-Architektur 187
Höhere Sprachen 190
7.8 Pipeline Stalls auf IA-32-Prozessoren vermeiden 191
7.9 Datenorganisation für High Performance 191
7.10 Zusammenfassung 193
8 Debuqqing-Techniken für Multithread-Code 195
8.1 Allgemeine Debugging-Techniken 195
Debug-freundliches Design 195
Anwendungen erweitern - mit Trace Buffers 198
8.2 Multithread-Anwendungen unter Windows debuggen 202
Das Threads-Fenster 202
Ablaufverfolgungspunkte (Tracepoints) 203
Haltepunktfilter 204
Thread-Namen festlegen 204
Ein Beispiel 205
8.3 Multithread Debugging mit GDB 209
Benachrichtigung bei Thread-Erzeugung 209
Auflistung aller Threads in der Anwendung 209
Threadspezifische Haltepunkte setzen 210
Zwischen Threads wechseln 211
Einen Befehl auf eine Gruppe von Threads anwenden 211
8.4 Zusammenfassung 212
9 Grundlagen der Singlecore-Prozessoren 213
9.1 Grundlagen der Prozessorarchitektur 213
9.2 Superskalare und EPIC-Architektur im Vergleich 219
9.3 Zusammenfassung 221
10 Threadinq auf Intel®- Multicore-Prozessoren 223
10.1 Hardware Threading 223
Threading bei Intel 227
10.2 Hyperthreading-Technologie 227
Der Unterschied zwischen Multiprozessor- und
Hyperthreading-Technologie 229
Architektur der HT-Technologie 229
10.3 Multicore-Prozessoren 231
Architekturdetails 231
Vergleich von Multiprozessoren und Multicore-Prozessoren 234
Multicore für Itanium®-Architektur 235
10.4 Interaktion zwischen mehreren Prozessoren 238
Interprozessorkommunikation und Multithread-Programmierung 238
10.5 Energieverbrauch 240
Energiemessverfahren 241
Stromverbrauch senken 242
Was kommt nach der Multicore-Prozessorarchitektur? 243
10.6 Zusammenfassung 245
11 Intel®-Produkte für die Softwareentwicklung 247
11.1 Überblick 247
Untersuchen 247
Erstellen/Ausdrücken 248
Debuggen 248
Tuning 249
11.2 Der Intel® Thread Checker 249
Funktionsweise 250
Hinweise für die Nutzung 251
Intel® Thread Checker im Zusammenspiel mit OpenMP 252
11.3 Intel-Compiler 253
OpenMP 253
Softwarebasierte spekulative Vorausberechnung 257
Compileroptimierung und Cache-Optimierung 257
11.4 Intel® Debugger 258
11.5 Intel-Bibliotheken 259
Intel® Math Kernel Library 259
Intel® Integrated Performance Primitives 260
Parallele Programme und die Probleme beim Einsatz
paralleler Bibliotheken 260
Die Zukunft 261
Intel®-Threading-Bausteine 261
11.6 Intel® VTune™ Performance Analyzer 261
Hotspots finden 262
Mit Call Graph einen Threading-Punkt finden 263
Lastenausgleich überprüfen 264
11.7 Intel® Thread Profiler 265
11.8 MPI-Programmierung 266
Intels MPI-Unterstützung 266
11.9 Zusammenfassung 270
A Glossar 271
Stichwortverzeichnis 283 |
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Description
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