基于局部回滚的临界区并行执行方法研究

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锁机制带来的临界区保护极大的限制了多线程应用程序的并行性。如何降低锁所带来的性能影响,从而提高程序的整体性能成为了重要的研究领域。现有的工作通常使用基于锁消除的优化技术,主要关注不相交共享数据临界区之间的并行性。对于使用了相同共享数据的临界区,如冲突临界区(Conflicting Critical Sections,简称CCS),现有的工作无法改善它的并行性。通过基于典型的多线程程序的大量实验观察发现,对于每个正在运行的冲突临界区来说,只要在运行时并行执行其中第一个无冲突的代码片段,就可以利用超过73.4%的冲突临界区间并行性。从而,提出了一种新的微体系结构,简称BSOptimizer,使得挖掘冲突临界区的并行性成为可能。具体来说,通过软件和硬件协同设计的策略来评估冲突临界区的并行性机会,然后利用局部回滚的方法来保证并行执行的正确性。BSOptimizer补充了现有的缓存一致性协议来感知冲突临界区冲突发生的位置;提出了一种新的预测检查点机制来快速准确的注册和预测需要关注的冲突点;并且利用了二元关系重新定义传统的互斥语义。通过将这些技术协同工作,BSOptimizer可以并行的调度每个冲突临界区。在大量真实程序和PARSEC基准测试上对BSOptimizer进行了实验测试。实验结果表明,相较于业界主流的投机锁消除方法(Speculative Lock Elision,简称SLE)和软件协助的锁消除方法(Software-assisted Lock Removal,简称SLR),BSOptimizer提高升多线程程序性能达30.9%。额外能耗开销小于0.8%,额外运行时间开销只有3.9%,这一开销在真实场景几乎可忽略不计。
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