多核编程的四层境界

自发表“老子是伟大的多核计算科学家”（欲看此文，请点这里） 一文来，收到许多网友的强烈反响，褒扬者有之，砸板砖者亦有之。不过板砖数量倒是在我的意料之中，凡是跟哲学或者说是玄学的东西沾上边的，总会招来一阵口 舌之争。虽然砸板砖者也没有说出任何反驳的道理来，但是并不代表那篇文章就很***，没有不足的地方。实际上那篇文章中只涉及了多核编程的一个层面的思想， 还有另外三层思想没有被提及，这也许可以算作是那篇文章的不足之处吧。为弥补其不足之处，下面从四个层面来阐述多核编程的基本思想。

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***层  先天·方法·策略层

***层的基本思想就是“老子是伟大的多核计算科学家”一文中所提及的几个基本思想：“贪心”、“自私”、“偷”等。这些东西是先天存在的，是人类的一种本能，它又可以看作是方法、策略，因此把这层叫作“先天·方法·策略层”。

先天的方法策略并不限于“贪心”、“自私”、“偷”这三种，去年的SD大会上，我讲过一个基于抢夺的分布式内存管理算法，说明“抢”也是一种先天的方法策略。所谓：

“人之初，性本贪，性自私，性喜偷，性喜抢。”

为避免误解，这里先说明一下，这里所说的“偷”、“抢”和通常意义的偷、抢并不完全相同。“偷”和道家意义上的偷是同一个含义，即“不与取”之意；“抢”则是取“不归还”之意。

昔范蠡云：“且夫天舆弗取，反受其咎”。既然上天给了我们这么多好的方法策略，不用它的话显然是一种糟蹋。在多核编程中如何使用这些策略来进行编程，开源项目TBB中可以找到详细的代码例子。

第二层  目标·需求·评价层

先天的方法策略，虽然看似简单，但要用好它并不是一件容易的事情。自私、贪心、偷、抢等先天方法既可以用来做好事，也可以用来做坏事。这就牵涉到如何评价是否用好了这些先天方法策略的问题，也就是第二层目标·需求·评价层所需要解决的问题。

并不能为了使用先天方法策略而使用它，而是用它来满足我们的需求，到达一定的目标。那么这个需求和目标是什么呢？

在这里不想对一般的需求进行分析，只分析优化方面的需求。要达到优化，可以理解为各种资源的有效利用，可能有很多人已经有这方面的理解【1】。这些资源可以分为以下几个方面：

1. 时间资源， 时间资源指的就是时间，比如一段程序或算法需要运行多长时间。
2. 空间资源，如内存、硬盘、网络、各种IO设备资源等均属于空间资源。
3. 计算资源，如CPU、GPU、各种板卡上的处理器等均属于计算资源。
4. 能源资源，通常指的是电能的消耗量，由于全球变软，环保问题的日益重要，这个在以往被忽视的资源也变得重要起来。

如何有效利用上述资源，并在各种资源利用间取得均衡，是制定目标和需求的基础，也是评价程序或算法优化程度的基础。

第三层  本质·根源·保障层

资源的有效利用，可不是一件简单的事情。在单核时代，许多程序员已有时间资源和空间资源的利用及均衡方面的丰富经验，那时几乎不用考虑计算资源的利用问题，因为处理器只有一个。

然而，在多核系统中，计算资源的利用成了头号问题，多个处理器的使用，使得程序员必须考虑如何将程序在各个处理器上并行地执行，这就牵涉到一个负载均衡问题。

负载均衡问题历来属于难题，由于客观上存在大量的共享资源，各种不同的共享资源情况复杂，并不能简单地将负载平均一下就摊到各个CPU核上去执行。那么用什么来保障负载平衡呢？如何去达到资源有效利用的***目标需求呢？

要 保障目标需求的实现，其核心就是公平、正义问题。当然，对公平、正义这两个词的理解，现实情况中存在多种解释，这里采用更广义的解释，凡是可从正确的前提 通过逻辑推导出来的定义，均视做正义，例如自然科学中的所有公理、定理及推论，均属于正义。在人类社会中，一些公认的道德标准、法律条文，也属于正义。

以动态偷取的调度算法为例，一般都是设计成每个线程一次偷取一个任务，实际上已经隐含地使用公平正义对偷取的数量做了限制，倘若不如此，任由一个线程一次将队列中所有任务都偷走，那么其他线程就偷不到任务了，这样就会出现负载不均衡，无法有效地利用多个处理器的计算资源。

再 比如基于抢夺的内存分配算法，每个线程使用了共享内存后，它并不返回给它的属主线程，而是据为己有，这样时间一长，必然有某些线程占有了过多的内存资源。 为了解决这个问题，解决方法就是每次抢完后，都需要判断一下自己占有的内存数量是否过多，过多的话则主动将一部分内存归返给公共内存池，从而实现负载均 衡。可以看出基于抢夺的内存分配算法中也使用了公平、正义以确保负载均衡。

公 平、正义问题可以说是算法之本，全局效率之源。为什么这么说呢？不妨看看现在美国发生的次贷危机，其根本原因是由于银行将贷款发放给无偿返能力的客户所造 成的。从公平、正义的角度看，实质上是银行为了自身的贪心、自私，违反了基本的公平、正义问题。次贷危机的后果，无需我多言，大家均已看到。可见，没有公 平正义，贪心、自私等先天方法策略必然会被滥用，其结果必然导致全局的不优。

由此可见，公平、正义是保障贪心、自私、偷、抢等先天方法策略得以正确使用的前提条件。本层名称中的本质、根源、保障，说的就是公平、正义。

需 要提及的是，在人类社会的现实中，由于人是有情感的，公平正义在执行中总会存在偏差，这时就需要仁爱来弥补其不足，这也许是儒家思想能够流传两千多年而不 灭的根本原因。当然，如果把仁爱思想也看作是道德标准的一部分的话，按照前面给出的正义的定义，其实仁爱也属于正义的范畴。

第四层  算法·实现·执行层

通过上面三个层面的阐述，可以知道先天的方法策略是实现优化的基本手段，资源有效利用则是实现优化的目标需求及评价条件，公平、正义则是保障先天的方法策略合理使用的前提条件。是不是有了这几样东西就可以做到达成优化的最终结果呢？

答案是“非也”。如果上面那几个东西就可以达成优化的结果，那么从街上随便抓个人恐怕都可以写出很好的多核程序来了，还要程序员干嘛，还要去学习多核编程的各种模式、技巧及算法干嘛？

就 像学了牛顿力学一样，有些人可以设计出摩天大厦，造出各种机械，有些人却啥也做不了。何也？运用好坏之不同也。要写出好的多核程序，同样牵涉导如何运用上 面三层中的基本原理思想方法的问题，而要用好这些基本原理思想，更多的还是要靠程序员自身的知识及能力，最终依赖于算法或程序的具体实现。就像有了道家， 儒家，却仍然少不了法家、农家、医家等各个领域的诸子百家。

怎样写出好的多核算法或程序来？ “好好学习、天天向上”是也。

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