多线程语言关键路径的在线计算
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发布时间: 2025-08-19 01:59:14 阅读量: 1 订阅数: 8 

### 多线程语言关键路径的在线计算
在多线程编程中,理解程序的执行流程和性能瓶颈至关重要。关键路径的计算可以帮助程序员识别程序中最耗时的部分,从而进行针对性的优化。本文将介绍一种多线程语言关键路径的在线计算方法,包括相关概念、计算过程、潜在问题及解决方案,并通过实验验证其有效性。
#### 多线程程序示例
下面是一个计算第二个斐波那契数的多线程程序:
```python
fib(r, x) {
if (x < 2) {
send(r, 1);
} else {
xi = x - 1;
r1 = newChannel();
spawn fib(r1, xi);
x2 = x - 2;
r2 = newChannel();
spawn fib(r2, x2);
v2 = recv(r2);
v1 = recv(r1);
v = v1 + v2;
send(r, v);
}
}
main() {
s = newChannel();
spawn fib(s, 2);
u = recv(s);
print(u);
die;
}
```
在这个程序中,线程之间的数据通信通过通道进行,使用`send`和`recv`操作。这是因为该方案忽略了未通过通道通信的数据的生产者 - 消费者依赖关系。
#### 计算关键路径
并行程序的动态结构可以用有向无环图(DAG)表示。DAG 中的节点代表线程的开始或并行原语(如`spawn`、`send`、`recv`或`die`)。DAG 有三种有向边:
- **算术边**:表示节点之间的帧内依赖关系,边的权重表示从一个节点离开到到达另一个节点所经过的时间。
- **生成边**:表示从`spawn`节点到新生成线程开始节点的依赖关系,边的权重是一个预定义的常量,表示`spawn`操作开始到新线程可运行的时间差。
- **通信边**:表示从发送节点到接收节点的依赖关系,边的权重是一个预定义的常量,表示`send`操作开始到接收方可用所发送值的通信延迟。
路径的权重是包含的边的权重之和,我们计算的关键路径是从程序开始节点到`die`节点权重最大的路径,关键路径长度就是该路径的权重。
然而,由于通信的不确定性和程序各部分执行时间的变化,不同运行中 DAG 的形状可能不同。因此,我们计算实际运行中创建的 DAG 的关键路径。
DAG 模型有以下假设:
- 线程创建成本恒定(所有生成边权重相同)。
- 通信成本恒定(所有通信边权重相同)。
- `send`、`recv`和`spawn`操作瞬间完成(节点无权重)。
这些假设没有考虑数据局部性。例如,线程创建成本取决于线程所在的处理器,同一处理器上的线程通信成本更低。当前实现假设新线程和其创建者不在同一处理器上,所有通信都是处理器间通信。如果考虑数据局部性,可能会改进该方案。
关键路径以子路径序列的形式呈现给程序员,子路径有以下三种:
- **帧内子路径**:由算术边组成,表示控制进入函数帧到离开帧的执行部分。信息包括源代码中的位置和执行时间,位置通过指定函数帧的入口和出口点表示。
- **生成子路径**:由一个生成边组成,信息仅包含常量权重。
- **通信子路径**:由一个通信边组成,信息仅包含常量权重。
#### 插桩技术
该方案通过最长路径计算来计算关键路径。插桩后的程序维护从程序开始到当前执行点的关键路径信息。在`spawn`操作中,关键路径信息传递给新线程;在`send`操作中,关键路径信息附加到发送的值上;在`recv`操作中,比较接收点的关键路径长度和发送方关键路径长度加上通信边权重,取较大值作为接收后程序部分的关键路径长度。
以下是插桩后的`fib`函数示例:
```python
fib(r, x, cp) {
el = l1;
et = currTime();
if (x < 2) {
to = currTime() - et;
cp' = addinFrSubPath(cp, {el, l2, to});
send(r, [1, cp']);
et = currTime() - to;
} else {
xi = x - 1;
r1 = newChannel();
t1 = currTime() - et;
cp' = addinFrSubPath(cp, {el, l3, t1});
cp" = addSpawnSubPath(cp');
spawn fib(r1, x1, cp");
et = currT
```
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