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2023 Mar 02

什么是 NUMA

NUMA 是 Non-Uniform Memory Access 的缩写，它是一种计算机体系结构设计，用于多处理器系统，其中每个处理器都有自己的本地内存。在 NUMA 中，处理器连接到共享内存系统，但不同部分内存的访问时间不同。

在 NUMA 系统中，内存访问时间不均匀，意味着从本地处理器访问内存比从远程处理器访问内存更快。这是因为处理器可以更快地访问本地内存，而访问远程内存需要与其他处理器通信，这需要更长的时间。

为了优化 NUMA 系统的性能，应用程序需要设计以利用每个处理器的本地内存，并最小化使用远程内存。这可以通过诸如内存亲和性之类的技术来实现，它确保线程或进程在具有最近的内存访问的处理器上调度。

NUMA 体系结构通常用于高性能计算系统，在这些系统中，多个处理器需要同时访问大量数据，传统的对称多处理（SMP）体系结构可能不足够。

在计算机系统中，本地内存是指与使用它的处理器或芯片物理上位于同一处理器或芯片上的内存。在多处理器系统中，每个处理器都有自己的本地内存，用于存储该处理器经常访问的数据和指令。

与远程内存相比，处理器更快地访问本地内存。远程内存是指位于不同处理器或连接到所有处理器的共享内存系统上的内存。这是因为访问本地内存不需要处理器与其他处理器通信或遍历共享内存总线，这可能会增加延迟并减慢内存访问时间。

在 NUMA（非一致内存访问）体系结构中，本地内存是一个重要的概念，因为它用于最小化内存访问的延迟。设计以利用本地内存的应用程序可以通过最小化使用远程内存和减少处理器之间的通信来在 NUMA 系统中实现更好的性能。

总的来说，本地内存是计算机体系结构中的重要概念，因为它可以显著影响多处理器系统的性能，特别是那些使用 NUMA 体系结构的系统。

同步原语是并发编程中用于管理多个线程或进程对共享资源访问的基本工具。它们提供了一种机制来协调并发线程或进程的行为，并确保它们以安全有序的方式访问共享资源。

并发编程中常用的同步原语有几种类型，包括：

互斥锁：互斥锁是一种同步原语，仅允许一个线程或进程同时访问共享资源。想要访问共享资源的线程或进程首先获取互斥锁，然后在使用完资源后释放锁。

信号量：信号量是一种同步原语，允许有限数量的线程或进程同时访问共享资源。信号量维护可以访问资源的线程或进程的数量，并阻止额外的线程或进程，直到数量降至限制以下。

监视器：监视器是一种将互斥锁与条件变量相结合的同步原语。监视器提供了一种机制，使线程或进程在访问共享资源之前等待某个条件满足。

屏障：屏障是一种同步原语，允许多个线程或进程在程序的某些点上同步它们的行为。屏障阻止线程或进程，直到它们都到达某个点，然后同时释放它们。

自旋锁：自旋锁是一种同步原语，重复尝试获取锁直到成功。自旋锁在锁定预计持续时间较短且阻塞和解除阻塞线程或进程的开销太高的情况下非常有用。

这些同步原语可以结合使用，以实现复杂的同步模式，并确保并发程序正确和高效。

互斥锁通常是在软件中实现的，而不是在硬件中实现的。在现代计算机系统中，互斥锁作为操作系统内核的一部分实现，为用户级程序和底层硬件之间提供了一层抽象。

当线程或进程想要获取互斥锁时，它调用由操作系统提供的系统函数，例如在基于 Unix 的系统中的 pthread_mutex_lock 或在 Windows 中的 EnterCriticalSection。操作系统内核然后执行必要的簿记工作，以确保一次只有一个线程或进程可以获取互斥锁。

在幕后，互斥锁通常使用几种技术之一实现，这取决于具体的操作系统和硬件体系结构。一种常见的技术是使用硬件本身提供的原子指令，例如比较交换（CAS）或测试和设置（TAS）指令。

CAS 和 TAS 指令允许线程或进程原子地读取内存位置，并在满足某些条件时进行修改。例如，一个线程可能读取一个变量，指示互斥锁当前是否被持有，然后设置该变量以指示它已经获取了互斥锁。如果另一个线程尝试在互斥锁已经被持有的情况下获取互斥锁，它会看到该变量已经设置，并将重试，直到它可以获取互斥锁。

实现互斥锁的其他技术包括使用自旋锁或睡眠唤醒算法，它们允许线程在等待时等待互斥锁可用，而不会消耗系统资源。这些技术在某些情况下可能更有效，但如果没有小心地实现，可能会导致优先级反转和饥饿等问题。

总的来说，互斥锁是管理并发程序中访问共享资源的关键工具，并在现代计算机系统中作为操作系统内核的一部分实现。

在计算机体系结构中，原子指令是一种不可分割的指令，这意味着它是作为单个、不可中断的操作执行的。原子指令通常用于确保对共享数据的一系列操作在其他线程或进程的干扰下执行。

为了确保指令是原子的，可以使用几种技术，这取决于特定的硬件和软件环境：

硬件支持：某些硬件架构提供了特殊的指令，旨在被原子地执行。例如，x86架构提供了LOCK前缀，可用于使某些指令成为原子操作。

编译器支持：某些编译器提供内置的原子操作支持。例如，C++11标准引入了一组原子类型和函数，可用于在C++程序中实现原子操作。

操作系统支持：操作系统可以通过系统调用或库函数提供对原子操作的支持。例如，POSIX提供了一组原子操作，可在基于Unix的系统中使用。

同步原语：同步原语如互斥锁和信号量可用于确保对共享数据的一系列操作是原子执行的。通过在访问共享数据之前获取互斥锁或信号量，线程或进程可以确保它具有对数据的独占访问权限，而没有其他线程或进程能够干扰。

需要注意的是，确保指令是原子的并不总是足以保证正确的并发行为。还可能需要使用其他技术，如内存屏障、锁协议和事务性内存，以确保正确的同步并避免出现竞争条件和死锁等问题。