今年12月的SD2.0大會(huì)，在“語言與工具”專場(chǎng)，我們邀請(qǐng)到多核編程專家周偉明先生，為開發(fā)者們?cè)敿?xì)介紹“多核編程模式”。本刊記者就多核編程的相關(guān)知識(shí)對(duì)周偉明先生做了專訪，下面為采訪內(nèi)容。
CSDN：請(qǐng)問，您是從什么時(shí)候開始關(guān)注多核編程技術(shù)的？為什么選擇這個(gè)做研究領(lǐng)域？
周偉明：從97年開始，我開始接觸多線程程序方面以及分布式計(jì)算機(jī)環(huán)境（DCE）方面的開發(fā)，之后接觸了多處理服務(wù)器方面的軟件開發(fā)，并對(duì)它懷有濃厚的興趣。到了2002年后，發(fā)現(xiàn)多核處理器已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，因此開始關(guān)注多核編程技術(shù)。
在我的職業(yè)生涯中，發(fā)現(xiàn)大多數(shù)程序員沒有掌握如何寫好多線程程序的基本技術(shù)。在多處理器的多線程編程中，比以往單核時(shí)代的多線程編程要求高得多，可以說多核編程是一門比較新鮮且富于挑戰(zhàn)的技術(shù)，同時(shí)它又能產(chǎn)生巨大的社會(huì)價(jià)值，所以選擇它做研究領(lǐng)域。
CSDN：請(qǐng)您談?wù)劊嗪司幊碳夹g(shù)都包括哪些方面？
周偉明：從大的方面講，多核編程技術(shù)主要包括并行計(jì)算、共享資源分布式計(jì)算、任務(wù)分解與調(diào)度、Lock-Free編程等內(nèi)容。其中共享資源分布式計(jì)算、任務(wù)分解與調(diào)度是最重要的內(nèi)容，也是大多數(shù)程序員未接觸過的內(nèi)容。許多并行算法都可以通過共享資源分布式計(jì)算、任務(wù)分解與調(diào)度來實(shí)現(xiàn)。
CSDN：您之前說過，“像使用內(nèi)存一樣使用CPU”，能具體闡述下嗎？
周偉明：在多核編程時(shí)，很重要的一個(gè)需求就是要做到當(dāng)硬件升級(jí)，CPU核數(shù)增加后，程序不用修改，即保證程序隨CPU核數(shù)增長(zhǎng)的擴(kuò)展性。“像使用內(nèi)存一樣使用CPU”主要是針對(duì)計(jì)算量不足情況下的一種處理措施，因?yàn)閯?chuàng)建線程存在開銷，計(jì)算量不足時(shí)，創(chuàng)建過多的線程不僅不能使程序運(yùn)行得更快，甚至?xí)钩绦蜃兟疫€會(huì)增加能源消耗。比如一段和創(chuàng)建一個(gè)線程的計(jì)算量相當(dāng)?shù)挠?jì)算運(yùn)行在8核CPU上，顯然不能使用8個(gè)硬件線程來運(yùn)行它，只使用一個(gè)硬件線程就足夠了。
CSDN：您認(rèn)為，多核編程模式有什么重要的意義嗎？您選擇這個(gè)作為今年SD大會(huì)的議題，是由于什么考慮？
周偉明：多核編程模式主要是提供一種多核并行與分布式編程的普遍方法，這些思想很容易被普通程序員甚至普通人理解和掌握。有了這些編程模式后，程序員不再需要去學(xué)習(xí)各種復(fù)雜的并行算法，它可以復(fù)用現(xiàn)有的串行算法，輕易地實(shí)現(xiàn)并行和分布式計(jì)算。
之所以把這個(gè)作為今年SD大會(huì)的議題，主要是因?yàn)閭€(gè)人覺得多核編程模式是多核編程技術(shù)的精華部分，希望能和大家一起分享。
CSDN：很多人認(rèn)為多核編程技術(shù)，特別高深，不易學(xué)習(xí)，您怎么看待這個(gè)問題？
周偉明：也許是有些人把多核編程技術(shù)理解成了并行計(jì)算技術(shù)的緣故，加上近些年學(xué)術(shù)界對(duì)復(fù)雜度高得出奇的Lock-Free編程研究非常熱，致使認(rèn)為它特別高深，學(xué)習(xí)難度高，非要達(dá)到計(jì)算機(jī)博士水準(zhǔn)才能掌握。
實(shí)際上大音希聲、大道至簡(jiǎn)，最實(shí)用的多核編程技術(shù)并不是那些復(fù)雜的并行算法和Lock-Free算法。最實(shí)用的多核編程技術(shù)往往只要用到一些最簡(jiǎn)單的串行編程技術(shù)，然后使用一定的模式把它并行化。比如多核中的查找算法，僅僅用最簡(jiǎn)單的有序數(shù)組的查找，就可以通過分布式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模式把它并行化。
在多核編程模式中，也沒有用到任何高深的思想，相反它用到的思想?yún)s是來自人類社會(huì)中最原始、最普遍、最簡(jiǎn)單的一些東西，如貪婪、自私、偷竊等。這些思想普通人都可以理解，更不用說程序員了。
許多復(fù)雜的并行計(jì)算現(xiàn)在都可以通過新的方法來實(shí)現(xiàn)，在去年的SD大會(huì)上，Intel的市場(chǎng)總裁James Reinders就講過了用任務(wù)調(diào)度來實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算的通用方法。比如要寫一個(gè)并行排序算法，程序員只要懂得如何寫串行的排序算法，就可以使用任務(wù)調(diào)度方法把它自動(dòng)變成并行算法，并且這種通過任務(wù)調(diào)度實(shí)現(xiàn)的并行算法比傳統(tǒng)的并行算法性能更好。
值得慶幸的是，將簡(jiǎn)單串行算法并行化的各種模式都可以寫成象標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)一樣的東西給程序員使用。Intel公司就提供了一個(gè)開源項(xiàng)目TBB給大家使用。所以對(duì)于普通程序員來說，掌握多核編程技術(shù)并不是一件難事，只要有多線程編程基礎(chǔ)的程序員都可以掌握。當(dāng)然，就像C++標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)STL一樣，掌握其基本原理和使用它對(duì)每個(gè)程序員都不是難事，但是要自己去實(shí)現(xiàn)它并不是每個(gè)程序員能做到的。多核編程技術(shù)也一樣，普通程序員掌握其基本原理和使用它不是難事，當(dāng)然要實(shí)現(xiàn)一個(gè)基礎(chǔ)庫(kù)有一定難度，不是所有的程序員有能力能做到的事。
CSDN：如果有網(wǎng)友想提升自己在多核編程方面的水平，您有什么建議？應(yīng)該怎么學(xué)習(xí)？采用怎樣的步驟？需要掌握哪些工具或技術(shù)，應(yīng)注意什么問題？
周偉明：要提高多核編程水平，首先要掌握多線程編程基礎(chǔ)技術(shù)和OpenMP編程技術(shù)，其次，要掌握多核處理器的一些特殊地方，如Cache方面的偽共享問題，原子操作等，這是做多核編程的基礎(chǔ)。
有了上面的基礎(chǔ)后，就可以開始學(xué)習(xí)如何將計(jì)算均攤到各個(gè)CPU核上的方法，這里主要涉及到并行計(jì)算、共享資源分布式計(jì)算、任務(wù)分解與調(diào)度方面的技術(shù)。
由于市面上暫時(shí)還缺乏共享資源分布式計(jì)算、任務(wù)分解與調(diào)度方面的書籍資料，所幸的是Intel的開源項(xiàng)目TBB中有一些共享資源分布式計(jì)算、任務(wù)分解與調(diào)度方面的源代碼。所以這方面的內(nèi)容暫時(shí)可以通過Intel的開源項(xiàng)目TBB的源代碼去學(xué)習(xí)。當(dāng)然也可以到ACM, IEEE, Elsevier里去找一些相關(guān)的論文看看。
并行計(jì)算方面的內(nèi)容可以通過許多書籍以及一些這方面的開源項(xiàng)目去學(xué)習(xí)。由于可以通過任務(wù)調(diào)度的方法進(jìn)行并行計(jì)算，因此對(duì)于普通程序員，這方面的內(nèi)容并不用學(xué)很多，有所了解即可。
當(dāng)然，還需要學(xué)習(xí)多線程調(diào)試測(cè)試方面的技術(shù)，這牽涉到代碼靜態(tài)分析方法，如何設(shè)計(jì)測(cè)試用例使程序中的問題暴露出來，如何調(diào)試定位問題等內(nèi)容。也有些工具可以輔助程序員檢查程序中的錯(cuò)誤，如Intel的C++編譯器里帶有一些檢查多線程程序錯(cuò)誤的輔助工具。同時(shí)Intel的網(wǎng)站上還提供了能耗測(cè)試的工具可以檢查程序的能源消耗情況，可以幫助程序員進(jìn)一步優(yōu)化程序，寫出更環(huán)保的程序來。
如果要更深入的掌握多核編程技術(shù)，Lock-Free編程技術(shù)也是需要有一定了解的，在具有垃圾收集機(jī)制的編程環(huán)境中，Lock-Free編程技術(shù)在某些情況下有它的使用價(jià)值。學(xué)習(xí)Lock-Free編程技術(shù)并一定需要去使用它，而是通過它可以更好地理解多線程編程方面所面臨的復(fù)雜問題，對(duì)于提高程序員對(duì)多線程編程方面的理解和代碼質(zhì)量會(huì)有一定的幫助。
在學(xué)習(xí)多核編程技術(shù)時(shí)，最重要的是掌握如何將計(jì)算均勻分?jǐn)偟礁鱾€(gè)CPU核上的原理和方法，并不需要去死記一些算法。
CSDN：您能否介紹推薦一些多核編程方面的書籍？
周偉明：目前市面上專門關(guān)于多核編程的書較少，有大影響力的書籍幾乎沒有。雖然如此，但是還是有些書籍有很好的參考和借鑒價(jià)值。
《多核程序設(shè)計(jì)技術(shù)——通過軟件多線程提升性能》一書由Intel公司的工程師寫作而成，講解了Intel處理器相關(guān)的多線程基礎(chǔ)知識(shí)，同時(shí)也講解了一些OpenMP方面的編程知識(shí)，可以當(dāng)作一本多線程方面的基礎(chǔ)參考書籍。
《Intel Threading Building Blocks》一書由Intel的市場(chǎng)總裁James Reinders寫作而成，由O’Reilly出版，詳細(xì)介紹了Intel的開源項(xiàng)目TBB庫(kù)的使用方法，唯一的不足是這本書沒有剖析其中的原理，也許是覺得代碼難度過高的原因。這本書在國(guó)內(nèi)的購(gòu)書網(wǎng)站上可以買到英文版的，不過價(jià)格比較高。
《多處理器編程的藝術(shù)》由一位美國(guó)大學(xué)教授和一位Sun實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)人員合著。這本書的學(xué)術(shù)性內(nèi)容較強(qiáng)，重點(diǎn)內(nèi)容為L(zhǎng)ock-Free方面的編程技術(shù)，有較高的難度，對(duì)于想深入學(xué)習(xí)和使用Lock-Free編程技術(shù)的人員（特別是使用Java和C#編程語言的人員），不妨參考一下這本書的一些內(nèi)容。這本書已經(jīng)由國(guó)內(nèi)出版社引進(jìn)了英文版，可以在國(guó)內(nèi)買到。
對(duì)于并行計(jì)算方面的書籍，國(guó)內(nèi)已經(jīng)出版了很多。有很多翻譯過來的，如《并行計(jì)算導(dǎo)論》、《并行計(jì)算綜論》、《并行程序設(shè)計(jì)》、《并行編程模式》、《MPI與OpenMP程序設(shè)計(jì)》、《并行處理基本原理》等。也有國(guó)內(nèi)人原創(chuàng)的，如陳國(guó)良編著的《并行計(jì)算——結(jié)構(gòu)?算法?編程》，《并行算法的設(shè)計(jì)與分析》，《并行算法實(shí)踐》等。請(qǐng)恕我不能一一列出，這些書可以作為并行算法方面的參考書籍，美中不足的是這些書都不是專門針對(duì)多核環(huán)境而寫的，所以普通程序員看了之后要把它變成多核環(huán)境中的程序也許會(huì)有一定難度。
對(duì)于多核程序調(diào)試測(cè)試方面的書籍，目前國(guó)內(nèi)還沒有發(fā)現(xiàn)這方面專門的書籍。前面介紹的書籍中，有些書籍也談到了一些多核程序調(diào)試測(cè)試的方法。對(duì)于多線程程序的調(diào)試，《軟件調(diào)試》這本書中有些內(nèi)容值得參考。對(duì)于如何設(shè)計(jì)測(cè)試用例、寫測(cè)試程序?qū)⒊绦蛑械膯栴}暴露出來，雖有自夸之嫌，但還是要推薦大家不妨參考一下我寫的《軟件測(cè)試實(shí)踐》中的一些方法。
CSDN：聽說您最近在撰寫一本有關(guān)多核編程的書，這是怎樣的一本書？請(qǐng)簡(jiǎn)單介紹一下。
周偉明：從去年6月開始，我就在使用全職時(shí)間寫作一本名為《多核計(jì)算與程序設(shè)計(jì)》的多核編程方面的書。
這本書的核心內(nèi)容就是共享資源分布式計(jì)算、任務(wù)分解與調(diào)度方面的內(nèi)容，這些內(nèi)容需要使用今年將在SD大會(huì)上講的各種多核編程模式。同時(shí)也有一部分并行計(jì)算方面的內(nèi)容，不過與以往的并行計(jì)算方面的書不同的是，這本書的并行計(jì)算方面的內(nèi)容是專門針對(duì)多核環(huán)境的，如并行搜索、并行排序、并行數(shù)值計(jì)算等內(nèi)容都會(huì)涉及到CPU核數(shù)的擴(kuò)展性，CPU Cache的偽共享問題等多核相關(guān)的內(nèi)容。
當(dāng)然書中也介紹了一些多線程編程基礎(chǔ)知識(shí)、OpenMP編程基礎(chǔ)知識(shí)、Lock-Free編程基礎(chǔ)知識(shí)等基礎(chǔ)內(nèi)容。
這本書目前正在出版社內(nèi)進(jìn)行編輯加工，如不出意外，明年4月份左右估計(jì)可以上市。
CSDN：對(duì)于今年的SD大會(huì)，您有什么期望或者祝福嗎？
周偉明：從去年的SD大會(huì)舉辦情況來看，它舉辦得非常成功，毫不夸張地說它已經(jīng)成為了我國(guó)IT行業(yè)內(nèi)影響力最大的一個(gè)技術(shù)盛會(huì)。非常好地促進(jìn)了先進(jìn)技術(shù)在我國(guó)軟件行業(yè)的交流和推廣，對(duì)提升我國(guó)軟件企業(yè)的技術(shù)水平起了很好的引導(dǎo)作用。
對(duì)于今年的SD大會(huì)，自然希望有更多的技術(shù)人員參加，有更多的各個(gè)專業(yè)領(lǐng)域的重量級(jí)的最先進(jìn)技術(shù)在會(huì)上進(jìn)行演講和交流，使之成為影響和提升中國(guó)軟件技術(shù)發(fā)展的一場(chǎng)盛會(huì)。
被采訪者簡(jiǎn)介：
周偉明先生，畢業(yè)于上海交通大學(xué)，1994年開始從事專業(yè)軟件開發(fā)，曾工作于美國(guó)加州硅谷的DASCOM Inc公司（現(xiàn)為IBM的全資子公司）和華為技術(shù)有限公司等企業(yè)。在網(wǎng)絡(luò)安全軟件、服務(wù)端軟件、機(jī)器翻譯軟件、工具軟件、嵌入式系統(tǒng)等領(lǐng)域都擁有豐富的專業(yè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。近年來周偉明先生潛心研究多核編程技術(shù)，于2006年編著出版了國(guó)內(nèi)第一本專門研究多任務(wù)情況下數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法的專著，獲得業(yè)界的好評(píng)。此后周偉明先生再接再厲，更加深入地研究多核程序設(shè)計(jì)中范圍更加廣泛的重要的主題，提出多核程序設(shè)計(jì)的新觀念——“象使用內(nèi)存一樣使用CPU”，并且致力與編寫一本新的多核編程技術(shù)著作，將自己的研究成果和技術(shù)思路總結(jié)出來。