Analysis of the efficiency of atomic operations in multi-core shared-memory computer systems

Abstract

Проводится анализ эффективности выполнения атомарных операций «сравнение с обменом» (compare-and-swap, CAS), «выборка и сложение» (fetch-and-add, FAA), «обмен» (swap, SWP), «чтение» (load) и «запись» (store) на современных многоядерных вычислительных системах с общей памятью. Данные операции реализованы в виде процессорных инструкций и применяются при разработке параллельных программ (средства блокировки потоков и неблокируемые структуры данных). Исследуется зависимость влияния механизма когерентности кэш-памяти (cache coherence), размера и локальности данных на время выполнения атомарных операций. Разработана тестовая программа, позволяющая анализировать зависимость пропускной способности и латентности выполнения операций. Приводятся результаты анализа эффективности атомарных операций для процессоров архитектуры x86-64 и рекомендации по оптимизации их выполнения. В частности, определены атомарные операции, характеризующиеся наименьшей (load), наибольшей («удачный CAS», store) и сопоставимой («неудачный CAS», FAA, SWP) латентностью. Показано, что при различном выборе процессорного ядра для выполнения операции и состояния кэш-линии время выполнения операций может различаться в среднем в 1,5 и 1,3 раза соответственно. Выбор субоптимальных параметров позволяет увеличить пропускную способность выполнения атомарных операций от 1,1 до 7,2 раза. Ключевые слова: атомарные операции; протокол когерентности кэша; многопоточные программы.