[发明专利]一种并发算法

说明书

随着计算机并行时代的到来，基于锁的并发控制非常容易导致宝贵的CPU时间被浪费在等待上。为了解决这个问题，本发明提出一种无锁并发算法，将一个程序按照线程为单位，分别划分为多个代码块，分别交给各CPU或独立执行模块(以下称为CPU核)执行。将具有同一互斥关系的代码块依次执行，避免了CPU空转等待，又可以设置执行顺序和优先级。在本算法支持下，计算机系统甚至将不再需要硬件锁及其相关指令。

技术领域

本技术属于计算机软件、硬件算法、编译优化领域。

背景技术

随着计算机技术的发展，如今的计算机硬件和软件都进入了并行时代，这使得目前的软硬件并发技术遇到了空前的挑战。在高并发情况下，数据的一致性同步变得困难，基于锁的并发控制非常容易导致宝贵的CPU时间被浪费在等待上。为了解决这个问题，本发明提出一种从底层技术到上层应用都可以使用的算法，让系统的等待时间趋近于0，同时简化并发编程和硬件的复杂度，提高计算机系统的性能，降低系统的设计难度。

发明内容

本发明为一种并发算法，算法的主要内容是：将一个程序按照线程为单位，分别划分为多个代码块，分别交给各CPU或独立执行模块(以下称为CPU核)执行。其中，在具有同一互斥关系的代码块的集合中，同一时间只能有一个该代码块执行。该代码块执行完之后才能执行同一互斥关系的另一个代码块。这样就避免了CPU 空转等待，又可以设置执行顺序和优先级。在本算法支持下，计算机系统甚至将不再需要硬件锁及其相关指令。

现代多核计算机程序通常使用锁、临界区等机制，保证某块代码在线程间的访问安全。但是这种机制是抢占式的，存在CPU核的空转等待等问题。因此，本发明提出一种新的结构，在逻辑上保证一组互斥的代码块中，同一时间只能执行一个代码块。称这种代码块为互斥块。具有同一个互斥关系的代码块集合，称为互斥组。这种机制依靠的是程序的执行顺序，而非软硬件锁机制。详细过程如下：

程序运行时启动多个线程(单线程程序不在考虑之内)(见图1)，各线程分别调度代码给CPU核执行(见图2)。例如，图1 中所示，程序中有m个线程，每个线程有n个代码块，分别从Code_blockm1到Code_blockmn。将这些代码块调度给k个CPU核，调度结果假设为图2，不包括任何互斥要求。但如果线程之间存在互斥组(见图3，Code_mutex13表示互斥组1，互斥块号为3)，则在执行互斥组内的任意互斥块时，只有一个互斥块被执行，其他需要执行的互斥块只能等待。该互斥块执行完毕之后，再执行互斥组内的另一个互斥块，直到执行完整个互斥组中需要执行的互斥块(见图4，其他代码块执行可能没有图中这么规整，只用作示意。)。在整个执行过程中没有使用锁，也没有产生任何的CPU空转。

在此基础上，对于特定线程还可以指定一个优先级规则，使该线程按照该规则执行。