正确的C++并行

时间：2015-01-23 13:26:45 阅读：210 评论：0 收藏：0 [点我收藏+]

在《C++0x漫谈》系列之：多线程内存模型（简称为漫谈）解释了多线程并行的困难，在这里我分层地看看这个问题。

1.为什么分层次？
C++语言表达的抽象和机器的抽象距离比较近，而且几乎看不到C++在虚拟机上跑的实例，所以两者的关系容易混淆。有人常常把反汇编拿出来一看，并作为C++语言是如此的证据，这是本末倒置的。假定C++都是直接翻译为汇编，于是这只是一个如何将一个语言翻译为另外一个语言的问题。编译器干的事就是用目标语言的一些抽象来实现源语言一些抽象，所以目标语言的语义，行为，并不能决定源语言，而只能说明翻译的正确性和质量。比如，某个C++类在语义上有个构造函数的调用，但是其行为是平凡的，在翻译后的代码中看不到任何构造函数调用的代码，这并不是构造函数不存在的证据。所以，这里我们分出层次，一方面是汇编及其实现（即CPU）的结合体，另一方面就是C++了。

2.怎么翻译？
显然，翻译建立在对两种语言上的充分理解上。理解一个语言，就要理解其提供的抽象及其语义。如何定义语义？这是研究程序设计语言的人干的，比较经典的有操作语义，指称语义。在这里我们不严格从操作语义的角度来看这两种语言。

2.1汇编语言比较底层，其操作语义很明确。考虑并行，intel（这里只谈x86）也定义了其memory order，其中展示了一些并行执行的汇编代码，并说明什么样的结果是可能的，什么样的结果是不可能的。
2.2对于C++，其语义也能通过一些操作及其状态变化来描述（纯粹的操作语义并不能完全来描述C++，我们这里只是更关心操作及其结果）。

此时，翻译的正确性就变成了操作的对等性。

等等，在2.1中提到了并行，2.2中并没有提到（或者说在c++11之前都没提到），是的，这就是问题所在：C++本没有这样的语义，但是实际上通过多线程并行地执行，于是其正确性不能保证。

3.如何保证无并行语义的语言在并行执行的时候的正确性？
《漫谈》一文中已讲。其中提到的“一个简单的办法就是禁止编译器作任何优化：所有的操作严格按照代码顺序执行，所有的操作都触发cache coherence操作以确保它们的副作用在跨线程间的visibility顺序。”我认为并不是简单禁止编译器作任何优化就能达到后面的效果，甚至需要编译器做更多的事。这些做的更多的事，相当于对源语言有所扩展：出现了并行的苗头。而后面提到的“data-race-free”使得在保证正确性的同时，提高效率，其实相当于我们面向的是编译器扩展的一个有并行语义的语言（当同步原语是编译器提供的时候认为是编译器扩展语言，当同步原语是库提供的时候，认为是库扩展了语义，同时编译器必须理解库所提供的语义，否则在调用库代码的地方给个优化就完蛋了）。如何实现库呢？面向执行环境编程。要么库直接用执行环境的语言写，要么通过插入执行环境的代码（内联汇编），并行在插入代码处编译器不作优化。

上述正确性考虑得比较理论，如果从实际上讲呢？
a假定优化不会跨函数调用。这一方面使得库的代码被保护，另一方面保证了调用处的正确性。
b面向执行环境编程，通过内联汇编来保证并行语义。
c假定优化不跨内联汇编。
上述假定较容易实现，在实现后我们得到了依赖于库的提供了并行语义的语言。

4.如果源语言有并行语义呢？
定义了C++11中的mutex，atom的语义后，翻译时编译器知道某些操作的顺序不能改变，在适当的地方应该加入mb。

正确的C++并行

标签：c++ 并行

原文地址：http://blog.csdn.net/baihacker/article/details/43053791

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