美国服务器Linux系统多核并行编程技术介绍
美国服务器目前主流的Linux系统主机都是冯诺依曼架构，即共享内存的计算模型，这种过程计算模型对并行计算并不友好。这种美国服务器架构中，有如下设计特点：
1）多个美国服务器CPU核改善处理器的计算处理能力
2）多级cache改善美国服务器CPU访问主存的效率
3）各个CPU都有本地内存(NUMA(非一致性内存访问))，进一步改善CPU访问主存的效率
4）store buffer模块改善cache write由于应答延迟而造成的写停顿问题
5）invalidate queue模块改善使无效应答的时延，把使无效命令放入queue后就立即发送应答
6）外设DMA支持直接访问主存，改善美国服务器CPU使用效率
这些硬件体系设计特点也引入很多问题，最大的问题就是cache一致性问题和乱序执行问题。cache一致性问题由cache一致性协议MESI解决，MESI由硬件保证，对软件来说是透明的。
MESI协议保证所有CPU对单个cache line中单个变量修改的顺序保持一致，但不保证不同变量的修改在所有CPU上看到的是相同顺序。这就造成了乱序。不仅如此，乱序的原因还有很多：
1）store buffer引起的延迟处理，会造成乱序
2）invalidate queue引起的延迟处理，会造成乱序
3）编译优化，会造成乱序
4）分支预测、多流水线等CPU硬件优化技术，会造成乱序
5）外设DMA，会造成数据乱序
这种情况造成，就连简单的++运算操作的原子性都无法保证，而这些问题必须采用多核并行编程新的技术手段来解决。
多核并行编程关键技术
1、锁技术
美国服务器Linux kernel提供了多种锁机制，如自旋锁、信号量、互斥量、读写锁、顺序锁等。各种锁的简单比较如下：
1）自旋锁，不休眠，无进程上下文切换开销，可以用在中断上下文和临界区小的场合
2）信号量，会休眠，支持同时多个并发体进入临界区，可以用在可能休眠或者长的临界区的场合
3）互斥量，类似与信号量，但只支持同时只有一个并发体进入临界区
4)读写锁，支持读并发，写写/读写间互斥，读会延迟写，对读友好，适用读侧重场合
5)顺序锁，支持读并发，写写/读写间互斥，写会延迟读，对写友好，适用写侧重场合
锁技术虽然能有效地提供并行执行下的竞态保护，但锁的并行可扩展性很差，无法充分发挥多核的性能优势。锁的粒度太粗会限制扩展性，粒度太细会导致巨大的系统开销，而且设计难度大，容易造成死锁。以下技术手段或指导原则能解决或减轻这些问题的风险：
1）按统一的层次顺序使用锁，解决死锁问题
2）指数后退，解决活锁/饥饿问题
3）范围锁，解决锁惊群问题
4）优先级继承，解决优先级反转问题
2、原子技术
原子技术主要是解决cache不一致性和乱序执行对原子访问的破坏问题。主要的原子原语有：
1）ACCESS_ONECE()：只限制编译器对内存访问的优化
2)barrier()：只限制编译器的乱序优化
3)smb_wmb()：写内存屏障，刷新store buffer，同时限制编译器和美国服务器CPU的乱序优化
4）smb_rmb()：读内存屏障，刷新invalidate queue，同时限制编译器和美国服务器CPU的乱序优化
5）smb_mb()：读写内存屏障，同时刷新store buffer和invalidate queue，同时限制编译器和CPU的乱序优化
6）atomic_inc()/atomic_read()：美国服务器整型原子操作
3、无锁技术
原子技术是无锁技术中的一种，除此之外，无锁技术还包括RCU、Hazard pointer等，这些无锁技术都基于内存屏障实现的：
1）Hazard pointer主要用于对象的生命周期管理，类似引用计数，但比引用计数有更好的并行可扩展性。
2）RCU适用的场景很多，其可以替代：读写锁、引用计数、垃圾回收器、等待事物结束等，而且有更好的并行扩展性。但RCU也有一些不适用的场景，如写侧重、临界区长、临界区内休眠等场景。
不过，所有的无锁原语也只能解决读端的并行可扩展性问题，写端的并行可扩展性只能通过数据分割技术来解决。
4、数据分割技术
分割数据结构，减少共享数据，是解决并行可扩展性的根本办法。对分割友好(即并行友好)的数据结构有：
1）数组
2）哈希表
3）基树/稀疏数组
4）跳跃列表
使用这些便于分割的数据结构，有利于通过数据分割来改善并行可扩展性。除了使用合适的数据结构外，合理的分割指导规则也很重要：
1）读写分割：把以读为主的数据与以写为主的数据分开
2）路径分割：按独立的代码执行路径来分割数据
3）专项分割：把经常更新的数据绑定到指定的CPU/线程中
4）所有权分割：按美国服务器CPU/线程个数对数据结构进行分割，把数据分割到per-cpu/per-thread中
以上这些美国服务器Linux系统多核并行编程内容，基本上涵盖了Linux kernel中所有的并发编程关键技术。当然并行编程还有很多其他技术没有应用到Linux kernel中的，如无副作用的并行函数式编程技术、消息传递、MapReduce等等。
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