0 引言

    CPU是電子產(chǎn)品的核心，代表著信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。CPU發(fā)展至今已經(jīng)有四十多年的歷史了，實(shí)際就是Intel公司的發(fā)展歷史^[1]。Intel的CPU和其兼容產(chǎn)品占領(lǐng)了PC的大半江山。我國(guó)CPU戰(zhàn)略已經(jīng)發(fā)展十余年，部分領(lǐng)域完全具有核心技術(shù)，產(chǎn)業(yè)化取得積極進(jìn)展，但是與國(guó)際主流廠商Intel等仍存在較大差距。國(guó)產(chǎn)CPU由于受多方因素制約，單核性能并不高，在2000年左右所有的微處理器廠商都轉(zhuǎn)向了多核微處理器的開發(fā)。為提升CPU性能，國(guó)產(chǎn)CPU均為多核設(shè)計(jì)。目前，部分產(chǎn)品雖然在黨政軍部門及重要的信息系統(tǒng)有所應(yīng)用，但是由于產(chǎn)業(yè)生態(tài)還未建立，所應(yīng)用的場(chǎng)景還比較簡(jiǎn)單，可用于開發(fā)應(yīng)用的編程語言也較為單一。國(guó)產(chǎn)CPU的發(fā)展事關(guān)我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力和可持續(xù)發(fā)展力。為了充分發(fā)揮國(guó)產(chǎn)CPU的性能,需要通過并行編程來解決。

    Go語言設(shè)計(jì)目標(biāo)之一就是多核編程，不使用多線程編程模型，通過基于CSP的communication通道并發(fā)編程，使得并發(fā)編程更加簡(jiǎn)便。Go語言原生支持廣泛應(yīng)用的X86、X64指令集，而且支持龍芯的MIPS64及飛騰的ARM64指令集。這使得Go語言程序在跨平臺(tái)移植上天生具有優(yōu)勢(shì)。Go語言的其他一些特性使得其在國(guó)產(chǎn)CPU平臺(tái)應(yīng)用具有非常廣泛的前景。

1 Go語言簡(jiǎn)介

    Go語言是2009年11月Google正式宣布推出的一種編程語言。它的并發(fā)機(jī)制使得編寫能夠充分利用多核和網(wǎng)絡(luò)通信的程序變得非常容易。Go語言是靜態(tài)類型的語言，它的類型系統(tǒng)沒有層級(jí)，完全垃圾回收，比典型的面向?qū)ο笳Z言更輕量級(jí)；Go語言是一種編譯型語言，它結(jié)合了解釋型語言的游刃有余，動(dòng)態(tài)類型語言的開發(fā)效率，以及靜態(tài)類型的安全性。

    Go編譯器支持包括：x86、x64、ARM、arm64、ppc64、ppc64le、mips、mipsle、mips64、mips64le、s390x多種不同的CPU指令集?？梢灾С职‵reeBSD、Linux、Solaris和Windows等的多種操作系統(tǒng)。Go語言是跨平臺(tái)、跨操作系統(tǒng)的語言，部署非常簡(jiǎn)單。Go 編譯生成的是一個(gè)靜態(tài)可執(zhí)行文件，除了glibc外沒有其他外部依賴。Go的并發(fā)性好，而且goroutine 和 channel 使得編寫高并發(fā)的服務(wù)端軟件變得相當(dāng)容易，非常適合用來服務(wù)器編程。目前Go語言已經(jīng)成功的項(xiàng)目包括目前比較流行的云框架Docker、NSQ等分布式框架等。

2 國(guó)產(chǎn)CPU平臺(tái)簡(jiǎn)介及應(yīng)用現(xiàn)狀

    目前，我國(guó)自主研發(fā)的處理器芯片主要包括龍芯（MIPS64指令集）、申威(Alpha指令集）、飛騰(ARM64指令集)及兆芯(X86指令集)4類。商用領(lǐng)域基于龍芯3B1500 CPU、飛騰FA1500A CPU生產(chǎn)的商用服務(wù)器占據(jù)國(guó)產(chǎn)服務(wù)器主流位置，龍芯、飛騰服務(wù)器分別搭載中標(biāo)麒麟及銀河麒麟操作系統(tǒng)。

    在商用領(lǐng)域，全國(guó)產(chǎn)化平臺(tái)剛剛起步，配套的商用軟件較少，沒有建立起完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，同時(shí)又受到處理器自身性能的影響，基于上述兩款主流處理器平臺(tái)的服務(wù)器，主要還是用于對(duì)系統(tǒng)訪問并發(fā)及響應(yīng)時(shí)間要求不高的Web網(wǎng)站類網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用服務(wù)。國(guó)產(chǎn)處理器應(yīng)用服務(wù)的開發(fā)還是以Java語言為主，搭配開源JBoss、Ttomcat或國(guó)產(chǎn)中間件，數(shù)據(jù)庫(kù)采用國(guó)產(chǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)或MySQL等開源數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 Go語言在國(guó)產(chǎn)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)

3.1 國(guó)產(chǎn)平臺(tái)現(xiàn)有的編程語言匱乏

    目前，基于國(guó)產(chǎn)CPU的國(guó)產(chǎn)化平臺(tái)比較成熟的僅有C、C++編譯器。廠商對(duì)Java虛擬機(jī)在國(guó)產(chǎn)平臺(tái)上進(jìn)行編譯、適配及優(yōu)化。由于Java應(yīng)用運(yùn)行過程中依賴的大量Java第三方框架都是源于X86構(gòu)架體系，并未針對(duì)國(guó)產(chǎn)CPU進(jìn)行優(yōu)化，一些應(yīng)用在大壓力或大并發(fā)等某些場(chǎng)景下會(huì)出現(xiàn)假死、宕機(jī)等情況，嚴(yán)重影響應(yīng)用的正常運(yùn)行。雖然國(guó)產(chǎn)平臺(tái)也支持其他編程語言如Python、PHP等，但這類腳本語言的解釋器也是交叉編譯獲得的，并非自身支持，在進(jìn)行跨平臺(tái)交叉編譯過程中會(huì)遇到各種問題，很多問題需要軟件開發(fā)人員修改軟件源代碼，未經(jīng)過大量適配驗(yàn)證，很難保證其開發(fā)的應(yīng)用的穩(wěn)定性。

3.2 Go語言的跨平臺(tái)及并發(fā)優(yōu)勢(shì)

    Go語言原生支持龍芯CPU的MIPS64le指令集和飛騰CPU的ARM64指令集，天生具有跨平臺(tái)優(yōu)勢(shì)。Go開發(fā)應(yīng)用在任意平臺(tái)開發(fā)完成后，直接編譯，編譯后的二進(jìn)制文件在同類平臺(tái)可直接拷貝運(yùn)行，無需再次重新編譯。除了glibc外，無需其他外部依賴?？梢灾苯釉谠撻_發(fā)平臺(tái)的任意計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，無需像Java運(yùn)行那樣需要虛擬機(jī)，需要配置復(fù)雜的環(huán)境變量；在作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時(shí)更不需要像Tomcat、Apache等的Web中間件。

    Go語言的異構(gòu)平臺(tái)移植也非常簡(jiǎn)單，僅需要應(yīng)用程序的源碼，在異構(gòu)平臺(tái)上直接編譯即可，且編譯后的二進(jìn)制文件在同類平臺(tái)可直接拷貝運(yùn)行。Go語言本身就具有天生的跨平臺(tái)優(yōu)勢(shì)，大大降低了分布式異構(gòu)計(jì)算平臺(tái)的開發(fā)難度，非常適合在目前多構(gòu)架的國(guó)產(chǎn)化平臺(tái)上作為開發(fā)語言。

    Go語言在并發(fā)方面，goroutine和channel機(jī)制提供了輕量級(jí)并發(fā)機(jī)制；在性能方面，與Java的性能不分上下，而內(nèi)存資源消耗方面，相對(duì)Java和其他動(dòng)態(tài)語言，具備明顯的優(yōu)勢(shì)。在網(wǎng)絡(luò)和HTTP應(yīng)用方面，Go語言有良好的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和生態(tài)系統(tǒng)支持，而在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)方面，已提供了處理多種網(wǎng)絡(luò)所需的輕量級(jí)的代碼庫(kù)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的核心協(xié)議HTTP的高并發(fā)支持，完全可以撼動(dòng)Java。國(guó)產(chǎn)處理器由于指令集及工藝等多方面原因，導(dǎo)致單核計(jì)算性能不高，為提高整體計(jì)算能力均采用多核技術(shù)。如：龍芯3B1500為8核，商用服務(wù)器為雙路16核（2顆3B1500），飛騰FT1500A服務(wù)器為16核。因此，充分利用多核計(jì)算能力或搭建基于國(guó)產(chǎn)處理器的云計(jì)算平臺(tái)是目前國(guó)產(chǎn)化平臺(tái)的提高整體性能發(fā)展的方向。

4 Go語言在國(guó)產(chǎn)環(huán)境下的移植

    以飛騰平臺(tái)為例，飛騰CPU采用ARM64構(gòu)架。首先在X86平臺(tái)上交叉編譯出面向ARM64平臺(tái)的Go語言自舉編譯工具，利用$GOOS=linux GOARCH=arm64./bootstrap.bash 編譯命令編譯出可在ARM64平臺(tái)運(yùn)行的Go語言自舉編譯工具，然后利用該自舉編譯工具在ARM64平臺(tái)編譯安裝Go源碼。安裝完成后，Go語言會(huì)自動(dòng)進(jìn)行自身測(cè)試。測(cè)試完成后提示ALL TESTS PASSED，添加GOROOT至系統(tǒng)環(huán)境變量。Go語言的移植完成。龍芯平臺(tái)移植過程與飛騰平臺(tái)移植過程不同之處是在編譯自舉工具時(shí)GOARCH參數(shù)設(shè)置為MIPS64le。

5 Go語言的多核工作原理簡(jiǎn)介

    Go語言可以快速高效地調(diào)用多核進(jìn)行計(jì)算，其優(yōu)勢(shì)源于Go語言的Go runtime的調(diào)度器^[2]。

    用戶空間線程和內(nèi)核空間線程之間的映射關(guān)系有N:1、1:1和M:N 3種通常的線程模型。其中N：1模型是幾個(gè)用戶空間線程在一個(gè)OS線程上運(yùn)行。該模型上下文切換非?？焖?，但不能利用多核系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。1：1模型一個(gè)執(zhí)行線程匹配一個(gè)OS線程。 它利用機(jī)器上的所有內(nèi)核，但上下文切換速度較慢，因?yàn)樗仨毻ㄟ^操作系統(tǒng)進(jìn)行。

    Go通過使用M:N調(diào)度程序來取得上述兩種方式的最佳效果。它將任意數(shù)量的goroutine調(diào)度到任意數(shù)量的OS線程上。開發(fā)者可以獲得快速上下文切換，并利用系統(tǒng)中的所有內(nèi)核。這種方法的主要缺點(diǎn)是增加了調(diào)度器的復(fù)雜性。

    為了完成調(diào)度任務(wù)，Go Scheduler使用3個(gè)主要實(shí)體，如圖1所示。

    M三角形表示OS線程。這是由操作系統(tǒng)管理的執(zhí)行線程，其工作原理與標(biāo)準(zhǔn)POSIX線程相似。

    G圓圈代表一個(gè)goroutine。它包括堆棧、指令指針和其他重要的調(diào)度goroutines的信息，像任何可能被阻止的channel等。

    P是從N：1調(diào)度程序進(jìn)入M：N調(diào)度程序的重要部分，表示調(diào)度的上下文。可以將其視為在單個(gè)線程上運(yùn)行Go代碼的調(diào)度程序，一個(gè)局部的調(diào)度器。

    如圖2所示，有2個(gè)線程（M），每個(gè)線程都有一個(gè)上下文（P），每個(gè)線程都運(yùn)行一個(gè)goroutine（G）。為了運(yùn)行g(shù)oroutines，線程必須持有一個(gè)上下文。

    P的數(shù)量可以通過GOMAXPROCS()來設(shè)置，代表了真正的并發(fā)度，即有多少個(gè)goroutine可以同時(shí)運(yùn)行。可以使用它來調(diào)整Go進(jìn)程到計(jì)算機(jī)的調(diào)用，例如在4核心PC上運(yùn)行4個(gè)線程的Go代碼。

    白色的goroutines沒有運(yùn)行，處于就緒狀態(tài)，正在等待被調(diào)度。P維護(hù)著這個(gè)隊(duì)列。在Go語言里，每當(dāng)goroutine執(zhí)行g(shù)o語句時(shí)，goroutines都會(huì)添加到隊(duì)列的末尾。一旦上下文運(yùn)行了一個(gè)goroutine直到調(diào)度點(diǎn)，它會(huì)從其運(yùn)行隊(duì)列中彈出一個(gè)goroutine，設(shè)置堆棧和指令指針，并開始運(yùn)行g(shù)oroutine。

    圖3中當(dāng)一個(gè)OS線程被阻塞時(shí)，P可以轉(zhuǎn)而投奔另一個(gè)系統(tǒng)線程。從圖中看到，當(dāng)一個(gè)線程M0陷入阻塞時(shí)，P轉(zhuǎn)而在OS線程M1上運(yùn)行。調(diào)度器保證有足夠的線程來運(yùn)行所有P。

    M1可能是被創(chuàng)建，或者從線程緩存中取出。當(dāng)syscall返回時(shí)，它必須嘗試獲取一個(gè)上下文來運(yùn)行返回的goroutine，一般情況下，它會(huì)從其他的系統(tǒng)線程取得一個(gè)上下文，如果沒有獲取到，它就把goroutine放在一個(gè)全局隊(duì)列中，放入線程緩存里。上下文會(huì)周期性地檢查全局隊(duì)列，否則全局隊(duì)列上的goroutine永遠(yuǎn)無法執(zhí)行。

    如果上下文的運(yùn)行隊(duì)列的工作量不平衡，如圖4所示，則可能會(huì)發(fā)生這種情況。P所分配的任務(wù)G很快就執(zhí)行完了（分配不均），這就導(dǎo)致了一個(gè)上下文P空閑而系統(tǒng)忙碌。當(dāng)一個(gè)上下文用完時(shí)，它將嘗試從另一個(gè)上下文中竊取大約一半的運(yùn)行隊(duì)列。這確保在每個(gè)上下文上總是有工作要做，這反過來確保所有線程都以最大容量工作，每個(gè)系統(tǒng)線程都能充分地使用。

6 實(shí)測(cè)Go語言在國(guó)產(chǎn)平臺(tái)的多核調(diào)用

6.1 并行積分計(jì)算原理

    并行計(jì)算積分。計(jì)算積分是一個(gè)用來展示并發(fā)編程和它本身加速度(表示的是多處理器執(zhí)行時(shí)間和單處理器執(zhí)行時(shí)間的比值)的常見例子，例如一個(gè)函數(shù)f(x)在[a，b]上的積分：

    通過循環(huán)觸發(fā)goroutine（協(xié)程）來實(shí)現(xiàn)np個(gè)子算組的并行運(yùn)算，通過Go代碼來計(jì)算Pi的積分：

6.2 Go語言并行計(jì)算核心代碼實(shí)現(xiàn)

    核心代碼：

    上述計(jì)算中，一個(gè)計(jì)算組是通過 block(start，end int，c chan float64)這個(gè)函數(shù)實(shí)現(xiàn)的,這個(gè)函數(shù)計(jì)算從start到end之間的矩形面積、通道（channl）c則是用來在結(jié)束的時(shí)候進(jìn)行同步,并且把計(jì)算組的結(jié)果送到主線程。主線程通過調(diào)用rutime.GOMAXPROCS(np)建立運(yùn)行時(shí)所使用的CPU核數(shù)，np為使用CPU的個(gè)數(shù)，然后通過make構(gòu)造一個(gè)有np大小緩存的通道,進(jìn)行阻塞，確保計(jì)算并行進(jìn)行。最后把執(zhí)行np次的結(jié)果進(jìn)行累加以獲得pi的結(jié)果。

6.3 Go語言并行計(jì)算在國(guó)產(chǎn)CPU多核調(diào)用測(cè)試

6.3.1 測(cè)試環(huán)境

    飛騰平臺(tái)：FT1500A16核×1；內(nèi)存16 GB；Go編譯器1.8.1；操作系統(tǒng)：銀河麒麟4.0。

    龍芯平臺(tái)：3B1500A8核×2；內(nèi)存16 GB；Go編譯器1.8.1；操作系統(tǒng)：中標(biāo)麒麟6.0。

6.3.2 測(cè)試方法

    程序內(nèi)計(jì)時(shí)，每次測(cè)試3次，取最短時(shí)間。結(jié)果如圖5、圖6所示。

    上面兩組數(shù)據(jù)圖展示了，在龍芯3B1500處理器和飛騰FT1500A上，并行Go計(jì)算Pi的效率，對(duì)于小的問題規(guī)模(n=10⁵，10⁶)，使用多核不能增加的執(zhí)行時(shí)間，這是因?yàn)檫^多的進(jìn)程調(diào)度和初始化協(xié)程導(dǎo)致的，大部分時(shí)間沒有執(zhí)行并行計(jì)算。當(dāng)問題規(guī)模n變大的時(shí)候(n=10⁸，10⁹，10¹⁰)，使用多處理器能夠顯著地縮短計(jì)算所需的執(zhí)行時(shí)間。

6.3.3 結(jié)果對(duì)比

    結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

    從圖7可以看出，與其他公開的測(cè)試的數(shù)據(jù)基本一致，飛騰FT1500A無論單核和多核性能均比龍芯3B1500CPU計(jì)算能力快出近一倍。

6.4 Go語言在調(diào)用多核進(jìn)行并行計(jì)算的性能線性特性

    為了能夠體現(xiàn)并發(fā)執(zhí)行的加速度，以飛騰F1500A為例子以通過式(6)計(jì)算速度：

    在這里T_np和T_Maxnp是處理器當(dāng)前使用核數(shù)計(jì)算所用時(shí)間和處理器最大核數(shù)計(jì)算所用時(shí)間。結(jié)果如圖8所示。

    在圖8中，當(dāng)問題規(guī)模非常大的時(shí)候,增長(zhǎng)幾乎就是線性的了,特別是問題規(guī)模達(dá)到(n=109)的時(shí)候,幾乎和擬合趨勢(shì)線重合。

7 結(jié)束語

    本文對(duì)Go語言在多線程領(lǐng)域編程、跨異構(gòu)平臺(tái)及編程難易程度的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了闡述；對(duì)目前我國(guó)國(guó)產(chǎn)CPU在商業(yè)化應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)狀進(jìn)行了分析。使用Go語言在主流兩款國(guó)產(chǎn)平臺(tái)對(duì)多核調(diào)用進(jìn)行測(cè)試。同時(shí)，對(duì)Go語言的多核工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。綜上所述，Go語言非常適合作為除Java外的另一種國(guó)產(chǎn)CPU平臺(tái)應(yīng)用開發(fā)語言，有較為廣泛的應(yīng)用前景。本文對(duì)未來Go語言在國(guó)產(chǎn)CPU平臺(tái)上的開發(fā)及應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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[2] MORSING D.The Go scheduler[Z].2013.

作者信息:

陳  希，胡  彬

（國(guó)家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心，北京100040）