在本篇文章當中主要給大家介紹 OpenMp for construct 的實作原理，以及與他相關的動态庫函數分析，與 for construct 非常相關的是循環的排程方式，在 OpenMP 當中一共有四種調調方式，auto, dynamic, guided, runtime, 在本篇文章當中主要是對 dynamic 的排程方式進行分析。
前置知識
在介紹 for construct 的實作原理之前，我們首先需要了解一下編譯器是如何處理函數參數傳遞的（本文基于 x86_64 ISA），我們來看一下下面的代碼在編譯之後函數參數的傳遞情況。
在前面的文章當中我們已經談到過了，在 x86 當中參數傳遞的規約，具體的内容如下所示：
| 寄存器 | 含義 |
| rdi | 第一個參數 |
| rsi | 第二個參數 |
| rdx | 第三個參數 |
| rcx | 第四個參數 |
| r8 | 第五個參數 |
| r9 | 第六個參數 |
我們現在使用下面的代碼來分析一下具體的情況（因為前面使用寄存器隻能夠傳遞 6 個參數，而在後面我們要分析的動态庫函數當中會傳遞 7 個參數，是以這裡我們使用 8 個參數來測試一下具體的參數傳遞情況）：
#include "stdio.h"
void echo(int a1, int a2, int a3, int a4, int a5, int a6, int a7, int a8)
{
printf("%d %d %d %d %d %d %d %d\n", a8, a7, a1, a2, a3, a4, a5, a6);
}
int main()
{
echo(1, 2, 3, 4 ,5 ,6, 7, 8);
return 0;
}
複制代碼 上面的程式的反彙編結果如下所示：
000000000040053d <echo>:
40053d: 55 push %rbp
40053e: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
400541: 48 83 ec 30 sub $0x30,%rsp
400545: 89 7d fc mov %edi,-0x4(%rbp)
400548: 89 75 f8 mov %esi,-0x8(%rbp)
40054b: 89 55 f4 mov %edx,-0xc(%rbp)
40054e: 89 4d f0 mov %ecx,-0x10(%rbp)
400551: 44 89 45 ec mov %r8d,-0x14(%rbp)
400555: 44 89 4d e8 mov %r9d,-0x18(%rbp)
400559: 8b 7d f4 mov -0xc(%rbp),%edi
40055c: 8b 75 f8 mov -0x8(%rbp),%esi
40055f: 8b 55 fc mov -0x4(%rbp),%edx
400562: 8b 45 18 mov 0x18(%rbp),%eax # a8
400565: 8b 4d e8 mov -0x18(%rbp),%ecx
400568: 89 4c 24 10 mov %ecx,0x10(%rsp)
40056c: 8b 4d ec mov -0x14(%rbp),%ecx
40056f: 89 4c 24 08 mov %ecx,0x8(%rsp)
400573: 8b 4d f0 mov -0x10(%rbp),%ecx
400576: 89 0c 24 mov %ecx,(%rsp)
400579: 41 89 f9 mov %edi,%r9d
40057c: 41 89 f0 mov %esi,%r8d
40057f: 89 d1 mov %edx,%ecx
400581: 8b 55 10 mov 0x10(%rbp),%edx # a7
400584: 89 c6 mov %eax,%esi # a8
400586: bf 64 06 40 00 mov $0x400664,%edi
40058b: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
400590: e8 8b fe ff ff callq 400420 <printf@plt>
400595: c9 leaveq
0000000000400597 <main>:
400597: 55 push %rbp
400598: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
40059b: 48 83 ec 10 sub $0x10,%rsp
40059f: c7 44 24 08 08 00 00 movl $0x8,0x8(%rsp) # 儲存參數 8
4005a6: 00
4005a7: c7 04 24 07 00 00 00 movl $0x7,(%rsp) # 儲存參數 7
4005ae: 41 b9 06 00 00 00 mov $0x6,%r9d # 儲存參數 6
4005b4: 41 b8 05 00 00 00 mov $0x5,%r8d # 儲存參數 5
4005ba: b9 04 00 00 00 mov $0x4,%ecx # 儲存參數 4
4005bf: ba 03 00 00 00 mov $0x3,%edx # 儲存參數 3
4005c4: be 02 00 00 00 mov $0x2,%esi # 儲存參數 2
4005c9: bf 01 00 00 00 mov $0x1,%edi # 儲存參數 1
4005ce: e8 6a ff ff ff callq 40053d <echo>
4005d3: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
4005d8: c9 leaveq
4005d9: c3 retq
4005da: 66 0f 1f 44 00 00 nopw 0x0(%rax,%rax,1)
複制代碼 從上面的彙程式設計式我們可以知道 1 - 6，這幾個參數确實是通過寄存器傳遞的，對應的寄存器就是上文當中我們提到不同的參數對應的寄存器。但是參數 7 和參數 8 是儲存在棧上的。根據上面的 main 函數的彙程式設計式分析，他對應的棧幀的記憶體布局如下所示：
我們在來分析一下 echo 函數當中 printf 函數參數的傳遞情況，第二個參數和第三個參數分别是 a8, a7，應該分别儲存到寄存器 rsi/esi, rdx/edx 當中，在上面的彙編代碼當中已經使用注釋的方式進行标注出來了，從下往上進行分析可以看到 a8 儲存在位置 0x18(%rbp)，a7 儲存在 0x10(%rbp)，這個位址正是 main 函數儲存 a7（當進入函數 echo 之後，a7，和 a8 的位置分别是 rsp + 0x10）, a8（當進入函數 echo 之後，a7，和 a8 的位置分别是 rsp + 0x10 + 0x8） 的位置，具體可以結合上面的記憶體布局圖進行分析。
dynamic 排程方式分析
我們使用下面的代碼來分析一下動态排程的情況下整個程式的執行流程是怎麼樣的：
#pragma omp parallel for num_threads(t) schedule(dynamic, size)
for (i = lb; i <= ub; i++)
body;
複制代碼 編譯器會将上面的程式編譯成下面的形式：
void subfunction (void *data)
{
long _s0, _e0;
while (GOMP_loop_dynamic_next (&_s0, &_e0))
{
long _e1 = _e0, i;
for (i = _s0; i < _e1; i++)
body;
}
// GOMP_loop_end_nowait 這個函數的主要作用就是釋放資料的記憶體空間 在後文當中不進行分析
GOMP_loop_end_nowait ();
}
GOMP_parallel_loop_dynamic_start (subfunction, NULL, t, lb, ub+1, 1, size);
subfunction (NULL);
// 這個函數在前面的很多文章已經分析過 本文也不在進行分析
GOMP_parallel_end ();
複制代碼 void
GOMP_parallel_loop_dynamic_start (void (*fn) (void *), void *data,
unsigned num_threads, long start, long end,
long incr, long chunk_size)
{
gomp_parallel_loop_start (fn, data, num_threads, start, end, incr,
GFS_DYNAMIC, chunk_size);
}
static void
gomp_parallel_loop_start (void (*fn) (void *), void *data,
unsigned num_threads, long start, long end,
long incr, enum gomp_schedule_type sched,
long chunk_size)
{
struct gomp_team *team;
// 解析具體建立多少個線程
num_threads = gomp_resolve_num_threads (num_threads, 0);
// 建立一個含有 num_threads 個線程的線程組
team = gomp_new_team (num_threads);
// 對線程組的資料進行初始化操作
gomp_loop_init (&team->work_shares[0], start, end, incr, sched, chunk_size);
// 啟動 num_threads 個線程執行函數 fn
gomp_team_start (fn, data, num_threads, team);
}
enum gomp_schedule_type
{
GFS_RUNTIME, // runtime 排程方式
GFS_STATIC, // static 排程方式
GFS_DYNAMIC, // dynamic 排程方式
GFS_GUIDED, // guided 排程方式
GFS_AUTO // auto 排程方式
};
複制代碼 在上面的程式當中 GOMP_parallel_loop_dynamic_start，有 7 個參數，我們接下來仔細解釋一下這七個參數的含義：
- fn，函數指針也就是并行域被編譯之後的函數。
- data，指向共享或者私有的資料，在并行域當中可能會使用外部的一些變量。
- num_threads，并行域當中指定啟動線程的個數。
- start，for 循環疊代的初始值，比如 for(int i = 0; ;) 這個 start 就是 0 。
- end，for 循環疊代的最終值，比如 for(int i = 0; i < 100; i++) 這個 end 就是 100 。
- incr，這個值一般都是 1 或者 -1，如果是 for 循環是從小到達疊代這個值就是 1，反之就是 -1。
- chunk_size，這個就是給一個線程劃分塊的時候一個塊的大小，比如 schedule(dynamic, 1)，這個 chunk_size 就等于 1 。
在函數 GOMP_parallel_loop_dynamic_start 當中會調用函數 gomp_parallel_loop_start ，這個函數的主要作用就是将整個循環的起始位置資訊儲存到線程組内部，那麼就能夠在函數 GOMP_loop_dynamic_next 當中直接使用這些資訊進行不同線程的分塊劃分。GOMP_loop_dynamic_next 最終會調用函數 gomp_loop_dynamic_next ，其源代碼如下所示：
static bool
gomp_loop_dynamic_next (long *istart, long *iend)
{
bool ret;
ret = gomp_iter_dynamic_next (istart, iend);
return ret;
}
複制代碼 gomp_loop_dynamic_next 函數的傳回值是一個布爾值：
- 如果傳回值為 true ，則說明還有剩餘的分塊需要執行。
- 如果傳回值為 false，則說明沒有剩餘的分塊需要執行了，根據前面 dynamic 編譯之後的結果，那麼就會退出 while 循環。
gomp_iter_dynamic_next 是劃分具體的分塊，并且将分塊的起始位置儲存到變量 istart 和 iend 當中，因為傳遞的是指針，就能夠使用 s0 和 e0 得到資料的值，下面是 gomp_iter_dynamic_next 的源代碼，就是具體的劃分算法了。
bool
gomp_iter_dynamic_next (long *pstart, long *pend)
{
// 得到目前線程的指針
struct gomp_thread *thr = gomp_thread ();
// 得到線程組共享的資料
struct gomp_work_share *ws = thr->ts.work_share;
long start, end, nend, chunk, incr;
// 儲存疊代的最終值
end = ws->end;
// 這個值一般都是 1
incr = ws->incr;
// 儲存分塊的大小 chunk size
chunk = ws->chunk_size;
// ws->mode 在資料分塊比較小的時候就是 1 在資料分塊比較大的時候就是 0
if (__builtin_expect (ws->mode, 1))
{
// __sync_fetch_and_add 函數是一個原子操作 ws->next 的初始值為 for 循環的起始位置值
// 這個函數的傳回值是 ws->next 的舊值 然後會将 ws->next 的值加上 chunk
// 并且整個操作是原子的 是并發安全的
long tmp = __sync_fetch_and_add (&ws->next, chunk);
// 從小到大疊代
if (incr > 0)
{
if (tmp >= end)
return false;
// 分塊的最終位置
nend = tmp + chunk;
// 溢出保護操作 分塊的值需要小于最終的疊代位置
if (nend > end)
nend = end;
// 将分塊的值指派給 pstart 和 pend 這樣就能夠在并行域當中得到這個分塊的區間了
*pstart = tmp;
*pend = nend;
return true;
}
else
{
// 同樣的原理不過是從大到小達疊代
if (tmp <= end)
return false;
nend = tmp + chunk;
if (nend < end)
nend = end;
*pstart = tmp;
*pend = nend;
return true;
}
}
// 當資料分塊比較大的時候執行下面的操作
// 下面的整體的流程相對比較容易了解整個過程就是一個比較并交換的過程
// 當比較并交換成功之後就傳回結果 傳回為 true 或者分塊已經分完的話也進行傳回
start = ws->next;
while (1)
{
long left = end - start;
long tmp;
// 如果分塊已經完全分完 就直接傳回 false
if (start == end)
return false;
if (incr < 0)
{
if (chunk < left)
chunk = left;
}
else
{
if (chunk > left)
chunk = left;
}
nend = start + chunk;
tmp = __sync_val_compare_and_swap (&ws->next, start, nend);
if (__builtin_expect (tmp == start, 1))
break;
start = tmp;
}
*pstart = start;
*pend = nend;
return true;
}
複制代碼 gomp_iter_dynamic_next 函數當中有兩種情況的劃分方式：
- 當資料塊相對比較小的時候，說明劃分的次數就會相對多一點，在這種情況下如果使用 CAS 的話成功的機率就會相對低，對應的就會降低程式執行的效率，是以選擇 __sync_fetch_and_add 以減少多線程的競争情況，降低 CPU 的消耗。
- 當資料塊比較大的時候，說明劃分的次數相對比較小，就使用比較并交換的操作（CAS），這樣多個線程在進行競争的時候開銷就比較小。
在上面的文章當中我們提到了，gomp_loop_init 函數是對線程共享資料 work_share 進行初始化操作，如果你對具體 work_share 中的資料初始化規則感興趣，下面是對其初始化的程式：
static inline void
gomp_loop_init (struct gomp_work_share *ws, long start, long end, long incr,
enum gomp_schedule_type sched, long chunk_size)
{
ws->sched = sched;
ws->chunk_size = chunk_size;
/* Canonicalize loops that have zero iterations to ->next == ->end. */
ws->end = ((incr > 0 && start > end) || (incr < 0 && start < end))
? start : end;
ws->incr = incr;
ws->next = start;
if (sched == GFS_DYNAMIC)
{
ws->chunk_size *= incr;
#ifdef HAVE_SYNC_BUILTINS
{
/* For dynamic scheduling prepare things to make each iteration
faster. */
struct gomp_thread *thr = gomp_thread ();
struct gomp_team *team = thr->ts.team;
long nthreads = team ? team->nthreads : 1;
if (__builtin_expect (incr > 0, 1))
{
/* Cheap overflow protection. */
if (__builtin_expect ((nthreads | ws->chunk_size)
>= 1UL << (sizeof (long)
* __CHAR_BIT__ / 2 - 1), 0))
ws->mode = 0;
else
ws->mode = ws->end < (LONG_MAX
- (nthreads + 1) * ws->chunk_size);
}
/* Cheap overflow protection. */
else if (__builtin_expect ((nthreads | -ws->chunk_size)
>= 1UL << (sizeof (long)
* __CHAR_BIT__ / 2 - 1), 0))
ws->mode = 0;
else
ws->mode = ws->end > (nthreads + 1) * -ws->chunk_size - LONG_MAX;
}
#endif
}
}
複制代碼 執行個體分析
在本小節當中我們将使用一個實際的例子去分析上面我們所談到的整個過程：
#include <stdio.h>
#include <omp.h>
int main()
{
#pragma omp parallel for num_threads(4) default(none) schedule(dynamic, 2)
for(int i = 0; i < 12; ++i)
{
printf("i = %d tid = %d\n", i, omp_get_thread_num());
}
return 0;
}
複制代碼 上面的程式被編譯之後的結果如下所示，具體的程式分析和注釋都在下面的彙程式設計式當中：
000000000040073d <main>:
40073d: 55 push %rbp
40073e: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
400741: 48 83 ec 20 sub $0x20,%rsp
400745: 48 c7 04 24 02 00 00 movq $0x2,(%rsp) # 這個就是 chunk size 符合上面的代碼當中指定的 2
40074c: 00
40074d: 41 b9 01 00 00 00 mov $0x1,%r9d # 因為是從小到達 incr 這個參數是 1
400753: 41 b8 0c 00 00 00 mov $0xc,%r8d # 這個參數是 end 符合上面的程式 12
400759: b9 00 00 00 00 mov $0x0,%ecx # 這個參數是 start 符合上面的程式 1
40075e: ba 04 00 00 00 mov $0x4,%edx # num_threads(4) 線程的個數是 4
400763: be 00 00 00 00 mov $0x0,%esi # 因為上面的代碼當中并沒有在并行域當中使用資料 是以這個資料為 0 也就是 NULL
400768: bf 88 07 40 00 mov $0x400788,%edi # 函數指針 main._omp_fn.0
40076d: e8 ce fe ff ff callq 400640 <GOMP_parallel_loop_dynamic_start@plt>
400772: bf 00 00 00 00 mov $0x0,%edi
400777: e8 0c 00 00 00 callq 400788 <main._omp_fn.0>
40077c: e8 5f fe ff ff callq 4005e0 <GOMP_parallel_end@plt>
400781: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
400786: c9 leaveq
400787: c3 retq
0000000000400788 <main._omp_fn.0>:
400788: 55 push %rbp
400789: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
40078c: 53 push %rbx
40078d: 48 83 ec 38 sub $0x38,%rsp
400791: 48 89 7d c8 mov %rdi,-0x38(%rbp)
400795: c7 45 ec 00 00 00 00 movl $0x0,-0x14(%rbp)
40079c: 48 8d 55 e0 lea -0x20(%rbp),%rdx
4007a0: 48 8d 45 d8 lea -0x28(%rbp),%rax
4007a4: 48 89 d6 mov %rdx,%rsi
4007a7: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
4007aa: e8 21 fe ff ff callq 4005d0 <GOMP_loop_dynamic_next@plt>
4007af: 84 c0 test %al,%al # 如果 GOMP_loop_dynamic_next 傳回值是 0 則跳轉到 4007fb 執行函數 GOMP_loop_end_nowait
4007b1: 74 48 je 4007fb <main._omp_fn.0+0x73>
4007b3: 48 8b 45 d8 mov -0x28(%rbp),%rax
4007b7: 89 45 ec mov %eax,-0x14(%rbp)
4007ba: 48 8b 45 e0 mov -0x20(%rbp),%rax
4007be: 89 c3 mov %eax,%ebx
# ===========================下面的代碼就是執行循環和 body =================
4007c0: e8 2b fe ff ff callq 4005f0 <omp_get_thread_num@plt>
4007c5: 89 c2 mov %eax,%edx
4007c7: 8b 45 ec mov -0x14(%rbp),%eax
4007ca: 89 c6 mov %eax,%esi
4007cc: bf 94 08 40 00 mov $0x400894,%edi
4007d1: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
4007d6: e8 25 fe ff ff callq 400600 <printf@plt>
4007db: 83 45 ec 01 addl $0x1,-0x14(%rbp)
4007df: 39 5d ec cmp %ebx,-0x14(%rbp)
4007e2: 7c dc jl 4007c0 <main._omp_fn.0+0x38>
# ======================================================================
# ============下面的代碼主要是進行 while 循環檢視循環是否執行完成==============
4007e4: 48 8d 55 e0 lea -0x20(%rbp),%rdx
4007e8: 48 8d 45 d8 lea -0x28(%rbp),%rax
4007ec: 48 89 d6 mov %rdx,%rsi
4007ef: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
4007f2: e8 d9 fd ff ff callq 4005d0 <GOMP_loop_dynamic_next@plt>
4007f7: 84 c0 test %al,%al
4007f9: 75 b8 jne 4007b3 <main._omp_fn.0+0x2b>
# ======================================================================
4007fb: e8 10 fe ff ff callq 400610 <GOMP_loop_end_nowait@plt>
400800: 48 83 c4 38 add $0x38,%rsp
400804: 5b pop %rbx
400805: 5d pop %rbp
400806: c3 retq
400807: 66 0f 1f 84 00 00 00 nopw 0x0(%rax,%rax,1)
40080e: 00 00
複制代碼 總結
在本篇文章當中我們主要分析了 OpenMP 當中 for 循環動态排程方式的具體實作原理，以及動态庫函數的分析。整個過程主要有兩大部分，一個是編譯角度，編譯器會将 for construct 編譯成什麼樣子，以及動态庫函數具體是如何劃分疊代分塊的。在疊代分塊當中主要分為兩種方式，當分塊數目多的時候不使用 CAS 因為這樣線程之間競争比較激烈，但是當分塊數目比較小的時候就使用 CAS ，這種做法可以提高程式執行的效率。
![Wireshark的Pcap檔案格式分析及解析源碼【轉】[圖]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACwAAAAAAQABAAACAkQBADs=)