我们都知道linux中创建新进程是系统调用fork,但实际上fork是clone功能的一部分,clone和fork的主要差别是传递了几个參数。clone隶属于libc。它的意义就是实现线程。

看一下clone函数:

int clone(int (*fn)(void * arg), void *stack, int flags, void * arg);

fn就是即将创建的线程要运行的函数,stack是线程使用的堆栈。

再来看一下clone和pthread_create的差别:linux中的pthread_create终于调用clone。

我们的目的不是为了介绍clone,而是探究clone中的上下文切换问题。

(1)进程切换:把执行的进程的CPU寄存器中的数据取出存放到内核态堆栈中,同一时候把要加载的进程的数据放入到寄存器中(硬件上下文)。还会把全部一切的状态信息进行切换。

(2)时间片轮转的方式使多个任务在同一颗CPU上运行变成了可能,但同一时候也带来了保存现场和载入现场的直接消耗(上下文切换会带来直接和间接两种因素影响程序性能的消耗。直接消耗包含:CPU寄存器须要保存和载入。系统调度器的代码须要运行,TLB实例须要又一次载入,CPU 的pipeline须要刷掉;间接消耗指的是多核的cache之间得共享数据。间接消耗对于程序的影响要看线程工作区操作数据的大小)。

(3)clone任务[1]:

  • Allocate data structures for thread representation
  • Initialize structures according to clone parameters
  • Set up kernel and user stack as well as argument for the thread function
  • Put the thread on the corresponding CPU core’s run queue
  • Notify target core via an interrupt so that the new thread will be scheduled

(4)我们在clone出线程时指定高的优先级,也许会降低因抢占而造成的上下文切花开销。

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <assert.h> #define N 4
#define M 30000 #define THREAD_NUM 4
#define POLICY SCHED_RR int nwait = 0;
volatile long long sum;
long loops = 6e3;
pthread_mutex_t mutex; void set_affinity(int core_id) {
cpu_set_t cpuset;
CPU_ZERO(&cpuset);
CPU_SET(core_id, &cpuset);
assert(pthread_setaffinity_np(pthread_self(), sizeof(cpu_set_t), &cpuset) == 0);
} void* thread_func(void *arg) {
//set_affinity((int)(long)arg);
for (int j = 0; j < M; j++) {
pthread_mutex_lock(&mutex);
nwait++;
for (long i = 0; i < loops; i++) // This is the key of speedup for parrot: the mutex needs to be a little bit congested.
sum += i;
pthread_mutex_unlock(&mutex);
for (long i = 0; i < loops; i++)
sum += i*i*i*i*i*i;
//fprintf(stderr, "compute thread %u %d\n", (unsigned)pthread_self(), sched_getcpu());
}
} int main() {
//set_affinity(23); pthread_t threads[THREAD_NUM], id;
pthread_attr_t attrs[THREAD_NUM];
struct sched_param scheds[THREAD_NUM], sched;
int idxs[THREAD_NUM];
int policy, i, ret; id = pthread_self();
ret = pthread_getschedparam(id, &policy, &sched);
assert(!ret && "main pthread_getschedparam failed!");
sched.sched_priority = sched_get_priority_max(POLICY);
ret = pthread_setschedparam(id, POLICY, &sched); //set policy and corresponding priority
assert(!ret && "main pthread_setschedparam failed!"); for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
idxs[i] = i; ret = pthread_attr_init(&attrs[i]);
assert(!ret && "pthread_attr_init failed!"); ret = pthread_attr_getschedparam(&attrs[i], &scheds[i]);
assert(!ret && "pthread_attr_getschedparam failed!"); ret = pthread_attr_setschedpolicy(&attrs[i], POLICY);
assert(!ret && "pthread_attr_setschedpolicy failed!"); scheds[i].sched_priority = sched_get_priority_max(POLICY); ret = pthread_attr_setschedparam(&attrs[i], &scheds[i]);
assert(!ret && "pthread_attr_setschedparam failed!"); ret = pthread_attr_setinheritsched(&attrs[i], PTHREAD_EXPLICIT_SCHED);
assert(!ret && "pthread_attr_setinheritsched failed!");
} for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
ret = pthread_create(&threads[i], &attrs[i], thread_func, &idxs[i]);
assert(!ret && "pthread_create() failed!");
} for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++)
ret = pthread_join(threads[i], NULL); return 0;
}

我们让四个子线程和主线程都採取RR调度,并设置最高优先级,我们用VTune观察Preemption Context Switches是否会因此降低。

VTune现象:

如今设置最低优先级:

原来设置最低优先级能够降低Preemption Context Switches,可是添加了Synchronization Context Switches。

显然最高优先级执行用时少(4.470s,而最低优先级用时7.280s)。

REFERENCES:

[1] Balazs Gerofi, etc, Clone n(): Parallel Thread Creation for Upcoming Many-Core Architectures, 2012, IEEE International Conference on Cluster Computing.

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