在上月舉行的PDC 09大會上，微軟并行庫團(tuán)隊的開發(fā)工程師Igor Ostrovsky介紹了PLINQ的工作原理，以及多核編程中，尤其是在PLINQ使用過程中幾種常見性能問題及應(yīng)對方法。Igor表示，這些性能問題很少在順序編程中遇到，因此在并行環(huán)境中容易被人忽視。

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第一個性能問題是內(nèi)存分配

由于利用了多核CPU進(jìn)行運算，對象分配的速度也加快了。此外，程序中可以還會出現(xiàn)更高頻率的字符串連接或裝箱操作，這都會使GC壓力增大。.NET應(yīng)用程序所使用的默認(rèn)GC方式為Concurrent GC，它的性能很高，并且為降低應(yīng)用程序的延遲作了很多優(yōu)化。它的最佳使用場景是用戶交互式應(yīng)用，這樣可以盡可能避免用戶界面的停頓，但是它在長期運行的多核程序中表現(xiàn)并不好。而最終的結(jié)果是大量計算時間耗費在GC上，此時應(yīng)用程序算法即便是利用了多個核，也會發(fā)現(xiàn)它的伸縮能力受到了GC限制。解決這個問題的方法之一是減小內(nèi)存分配，例如可以使用值類型來代替引用類型。值類型的對象會分配在線程棧而不是堆上，以此避免對GC產(chǎn)生壓力。第二個方法是在config文件中啟用Server GC。使用Server GC會改變.NET分配對象的方式，此時.NET會為每個核準(zhǔn)備不同的堆，并且獨立進(jìn)行垃圾回收。這樣在一臺4核的機(jī)器上便可以有4個線程同時進(jìn)行垃圾回收，性能自然也就隨著多核而提升了。

第二個性能問題是CPU在局部化（Locality）和緩存方面的問題

在流行的多核架構(gòu)中，每個核都有獨立的二級緩存。CPU并不會緩存單個地址中的數(shù)據(jù)，而是緩存以64字節(jié)或128字節(jié)相鄰內(nèi)存的緩存條目（cache line），因此當(dāng)某個核改變了內(nèi)存中的數(shù)據(jù)時，則其他核中地址相鄰的緩存數(shù)據(jù)也會失效，這樣CPU每次進(jìn)行計算時都要從速度較慢的內(nèi)存中加載數(shù)據(jù)。這個性能問題的隱蔽之處在于代碼中的不同數(shù)據(jù)——例如同一個數(shù)組的不同下標(biāo)——可能在內(nèi)存中處在同一個緩存條目中，因此這個問題又被稱為錯誤共享（False Sharing）。Igor演示了一段性能低下的代碼，在這個實現(xiàn)中多個線程會不斷讀寫同一個數(shù)組的相鄰下標(biāo)，因此造成了錯誤共享。Igor的修改方法是將數(shù)據(jù)存放在數(shù)組中相距較遠(yuǎn)的下標(biāo)，甚至是不同的數(shù)組中。由于CPU的緩存條目大小有限，這種方法可以避免出現(xiàn)錯誤共享。博客園老趙在《計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)與程序性能》一文中也提出了一種優(yōu)化方式，他的做法是盡可能使用局部變量來保存計算過程中的中間值，以此減少對數(shù)組的修改操作。由于局部變量分處不同線程的?？臻g內(nèi)，因此地址相距很遠(yuǎn)，不會造成錯誤共享問題。當(dāng)有人問起到這種優(yōu)化方式是否安全時，Igor答到，這其實和CPU架構(gòu)的實現(xiàn)方式有很大關(guān)系。如果某一天緩存實現(xiàn)變化了，可能這種優(yōu)化方式會適得其反。不過在目前主流架構(gòu)中，這樣的做法是比較安全的。Igor補(bǔ)充道，他認(rèn)為這也是為什么“全自動”并行化那么困難的原因之一，因為在并行環(huán)境下影響程序性能的方面實在太多了。

第三個問題在于開發(fā)人員傾向于在PLINQ中使用大量小粒度的委托來完成工作

此時每個委托的計算任務(wù)很小，而委托的執(zhí)行次數(shù)會很多。在計算較長的序列時，小粒度的委托對象也能獲得性能提高，但是它會產(chǎn)生額外的負(fù)載。例如，MoveNext和Current的調(diào)用，以及每個委托的執(zhí)行性能都和虛方法比較接近。此外，一個較長的輸入序列也會受限于內(nèi)存的吞吐量。因此，Igor建議開發(fā)人員在使用PLINQ時盡可能使用計算量較大的委托，以此減少計算主體外的性能開銷。

第四和第五問題則與PLINQ的實現(xiàn)有關(guān)

Igor表示，PLINQ可以并行執(zhí)行所有的LINQ查詢，但是相對于復(fù)雜的LINQ查詢，PLINQ能夠?qū)唵蔚腖INQ操作有更好的優(yōu)化。因此，Igor建議開發(fā)人員在使用PLINQ時可以手動將復(fù)雜的LINQ表達(dá)式拆分為簡單的LINQ查詢，并且只在真正需要大量計算的地方才開始并行化。這種結(jié)合順序執(zhí)行和并行執(zhí)行的方式，可以讓應(yīng)用程序的性能達(dá)到最優(yōu)。此外，為不同的輸入方式選擇不同的分塊（partition）策略對性能的影響很大，因此PLINQ會對數(shù)組和IList<>進(jìn)行靜態(tài)的分割，而對IEnumerable<>集合按實際需求進(jìn)行劃分，而開發(fā)人員也可以通過自定義Partitioner的方式來指定特別的分割策略。

最后，Igor強(qiáng)調(diào)，使用并行計算進(jìn)行程序性能優(yōu)化之前，一定要通過合適的評測方式來找到代碼的瓶頸。如果這個瓶頸正符合數(shù)據(jù)并行（data parallel）模式，那么可以使用PLINQ進(jìn)行性能優(yōu)化。而優(yōu)化完成后還需要評測其效果，并使用之前提出的幾種方案進(jìn)行合適的調(diào)整。

延伸閱讀

PLINQ(Parallel LINQ)。微軟對PLINQ在Parallel FX中的定位是：PLINQ是TPL(Task Parallel Library)的一個高層應(yīng)用。目前PLINQ已經(jīng)被集成到.NET 4.0當(dāng)中了。