多核系统的编程和编译状态

Question

我正在研究多核处理器; 具体来说,我正在考虑为多核处理器编写代码,并为多核处理器编译代码.

我很好奇这个领域的主要问题,这些问题目前阻碍了编程技术和实践的广泛采用,以充分利用多核架构的强大功能.

我知道以下的努力(其中一些似乎与多核架构没有直接关系,但似乎更多地与并行编程模型,多线程和并发性有关):

• Erlang(我知道Erlang包含了促进并发的结构,但我不确定它是如何被用于多核架构的)
• OpenMP(似乎主要与多处理和利用集群的力量有关)
• 统一并行C
• 的Cilk
• 英特尔线程模块(这似乎与多核系统直接相关;因为它来自英特尔.它除了定义某些编程结构外,它似乎还具有告诉编译器优化多核架构代码的功能)

总的来说,从多线程编程的经验来看,我知道用并发和并行编程的编程绝对是一个困难的概念.我也知道多线程编程和多核编程是两回事.在多线程编程中,您确保CPU不会保持空闲(在单CPU系统上.正如James所指出的,操作系统可以安排不同的线程在不同的内核上运行 - 但我更感兴趣的是描述并行操作语言本身,或通过编译器).据我所知,你不能真正做并行操作.在多核系统中,您应该能够执行真正的并行操作.

所以在我看来,目前多核编程面临的问题是:

• 多核编程是一个困难的概念,需要很高的技巧
• 今天的编程语言中没有本机构造为多核环境提供了良好的编程抽象
• 除了英特尔的TBB库之外,我还没有找到其他编程语言的工作来利用多核架构的强大功能进行编译(例如,我不知道Java或C#编译器是否优化了多核系统的字节码,或者即使JIT编译器那样做)

我很想知道可能存在的其他问题,以及是否有任何解决方案可以解决这些问题.研究论文(以及那种性质的东西)的链接会很有帮助.谢谢!

编辑

如果我不得不将我的问题简化为一句话,那就是:今天多核编程面临的问题是什么？该领域正在进行哪些研究来解决这些问题？

UPDATE

在我看来,有三个层次需要关注多核:

1. 语言级别:抽象并行化和并发性的构造/概念/框架,使程序员可以轻松地表达相同的内容
2. 编译器级别:如果编译器知道它正在编译什么体系结构,它可以优化该体系结构的编译代码.
3. 操作系统级别:操作系统优化运行进程,并可能安排不同的线程/进程在不同的核心上运行.

我搜索过ACM和IEEE,并找到了一些论文.他们中的大多数人都在谈论同时思考是多么困难,以及当前语言如何没有正确的方式来表达并发性.有些人甚至声称我们拥有的当前并发模型(线程)不是处理并发的好方法(即使在多核上).我有兴趣听取其他意见.

Answer 1

我很好奇这个领域的主要问题,这些问题目前阻碍了编程技术和实践的广泛采用,以充分利用多核架构的强大功能.

惯性.(BTW:这几乎是所有 "阻止广泛采用"问题的答案,无论是并行编程,垃圾收集,类型安全还是节能汽车的模型.)

自20世纪60年代以来,我们已经知道线程+锁模型从根本上被打破.到1980年,我们有大约十几个更好的模型.然而,今天使用的绝大多数语言(包括1980年以后新创建的语言)只提供线程+锁.

Answer 2

多核编程的主要问题与编写任何其他并发应用程序相同，但是以前计算机中具有多个 cpu 并不常见，但现在很难找到任何只有一个核心的现代计算机，因此，多核的优势，多CPU架构存在新的挑战。

但是，这个问题是一个老问题，每当计算机体系结构超越编译器时，后备解决方案似乎就是回到函数式编程，因为如果严格遵循该编程范式，就可以编写非常可并行的程序，因为您没有例如，任何全局可变变量。

但是，并不是所有问题都可以使用 FP 轻松解决，因此我们的目标是如何轻松地让其他编程范例易于在多核上使用。

首先，许多程序员都避免编写良好的多线程应用程序，因此没有足够多的开发人员做好充分准备，因为他们养成的习惯将使他们的编码变得更难。

但是，与 CPU 的大多数更改一样，您可以了解如何更改编译器，为此您可以查看 Scala、Haskell、Erlang 和 F#。

对于库，您可以查看 MS 的并行框架扩展，作为一种使并发编程变得更容易的方法。

它正在工作中，但我最近在 IEEE Spectrum 或 IEEE Computer 上发表了有关多核编程问题的文章，因此请查看 IEEE 和 ACM 就这些问题撰写的文章，以获得有关正在研究的内容的更多想法。

我认为最大的障碍是让程序员改变他们的语言很困难，因为 FP 与 OOP 有很大不同。

除了开发能够以这种方式良好运行的语言之外，研究的一个地方是如何处理访问内存的多个线程，但是，与该领域的许多内容一样，Haskell 似乎处于测试这一想法的最前沿，因此您可以查看Haskell 发生了什么事。

最终将会出现新的语言，并且可能我们有 DSL 来帮助开发人员进行更多抽象，但是如何对程序员进行这方面的教育将是一个挑战。

更新：

您可能会感兴趣第 24 章并发和多核编程，http://book.realworldhaskell.org/read/concurrent-and-multicore-programming.html