面向多線程應(yīng)用的虛擬機(jī)VCPU調(diào)度與分配研究.pdf

1、隨著多核技術(shù)的迅猛發(fā)展和多核處理器的迅速普及，計(jì)算機(jī)的并行處理能力日益增強(qiáng)。為了充分利用硬件效能，程序設(shè)計(jì)者已經(jīng)把多線程程序設(shè)計(jì)作為主要編程范型。線程間同步以及線程在共享Cache上的數(shù)據(jù)重用是決定多線程應(yīng)用性能的兩個(gè)關(guān)鍵因素，由于處理器的調(diào)度決定直接影響著同步性能的優(yōu)劣以及數(shù)據(jù)重用的實(shí)現(xiàn)，因而面向多線程應(yīng)用的處理器調(diào)度與分配必然成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。隨著虛擬化系統(tǒng)因其易管理、高物理資源利用率、低能耗等優(yōu)點(diǎn)而逐漸成為云計(jì)算/企業(yè)數(shù)據(jù)中心的主

2、流基礎(chǔ)架構(gòu)，多線程應(yīng)用以虛擬機(jī)作為主要運(yùn)行環(huán)境的趨勢(shì)已不可避免。
　　然而，在虛擬化系統(tǒng)中，由于語(yǔ)義縫隙的存在以及兩級(jí)調(diào)度器的非協(xié)同性，現(xiàn)有的調(diào)度與分配策略或機(jī)制難以提供對(duì)多線程性能需求的支持，此外，多核處理器的多樣化存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、性能不對(duì)稱性等更增加了問(wèn)題的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性，因此，面向多線程應(yīng)用的虛擬機(jī)VCPU（Virtual CPU,虛擬CPU）調(diào)度與分配研究具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。
　　面向多線程應(yīng)用的虛擬機(jī)VCPU調(diào)

3、度和分配的核心問(wèn)題包括：多線程應(yīng)用在虛擬化系統(tǒng)二級(jí)調(diào)度框架下有怎樣的性能表現(xiàn)、如何建立有效的VCPU的調(diào)度和分配策略或機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的同步性能以及如何建立有效的VCPU的調(diào)度和分配策略或機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)線程在共享Cache上的數(shù)據(jù)重用，它們是多線程應(yīng)用運(yùn)行在虛擬化系統(tǒng)中的基礎(chǔ)問(wèn)題，在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界至今沒(méi)有有效地解決。面向多線程應(yīng)用的VCPU調(diào)度與分配是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的開(kāi)放性課題。
　　針對(duì)上述核心問(wèn)題，面向多線程應(yīng)用的VCPU調(diào)度與分配問(wèn)

4、題分析首先從虛擬化系統(tǒng)架構(gòu)入手，深入討論VCPU調(diào)度與分配問(wèn)題的復(fù)雜性及其產(chǎn)生原因，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合多線程應(yīng)用的性能需求，提出面向多線程應(yīng)用的VCPU調(diào)度與分配所面臨的主要問(wèn)題和挑戰(zhàn)。
　　非均勻VCPU-PCPU（Physical CPU，物理CPU）映射的性能分析面向解析虛擬化系統(tǒng)中多線程應(yīng)用在非均勻VCPU-PCPU映射下的性能表現(xiàn)，首先分析非均勻VCPU-PCPU映射的產(chǎn)生原因，并通過(guò)形式化定義明確指出導(dǎo)致映射非均勻性的

5、幾個(gè)主要因素，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段對(duì)多線程應(yīng)用在非均勻VCPU-PCPU映射存在時(shí)的性能表現(xiàn)進(jìn)行量化分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示多線程應(yīng)用在非均勻VCPU-PCPU映射下性能具有不可預(yù)見(jiàn)性，而導(dǎo)致性能不可預(yù)見(jiàn)性的根源在于不合理的VCPU調(diào)度與分配以及應(yīng)用程序的自身結(jié)構(gòu)，基于性能分析的啟示，提出了面向均勻的VCPU-PCPU映射以及基于性能可擴(kuò)展性的處理器分配原則或方法。
　　鎖感知的VCPU調(diào)度機(jī)制面向解決虛擬化系統(tǒng)中鎖持有者搶占的頻繁發(fā)生導(dǎo)致

6、同步性能損害的問(wèn)題，首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段分析VCPU過(guò)量提交、調(diào)度時(shí)間片大小以及多線程應(yīng)用特性與自旋鎖性能的關(guān)系，然后提出鎖感知的VCPU調(diào)度機(jī)制LSM，LSM的核心是一種新穎的調(diào)度策略——時(shí)間預(yù)借調(diào)度策略。時(shí)間預(yù)借調(diào)度策略融合了現(xiàn)有的安全點(diǎn)搶占策略與自旋強(qiáng)制搶占策略的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)比已有的組調(diào)度策略具有更好的適應(yīng)性，能夠有效地解決虛擬化系統(tǒng)中自旋鎖性能損害問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)表明，與現(xiàn)有的幾種典型的解決途徑比較，在各種調(diào)度時(shí)間片取值情況下，LSM都具有

7、更優(yōu)的性能，尤其當(dāng)調(diào)度時(shí)間片長(zhǎng)度取值較大時(shí)，性能優(yōu)勢(shì)更顯著。
　　基于邏輯劃分的處理器分配策略以實(shí)現(xiàn)虛擬化系統(tǒng)中多線程在共享Cache上的數(shù)據(jù)重用為主要目標(biāo)，提出一種新穎的基于邏輯劃分的處理器動(dòng)態(tài)分配策略CDLP，并設(shè)計(jì)了初始狀態(tài)處理器分配算法、負(fù)載平衡算法、新的虛擬機(jī)加入時(shí)的處理器重新分配算法、處理器回收算法以及虛擬機(jī)退出時(shí)的處理器重新分配算法。CDLP有效地實(shí)現(xiàn)了多線程在共享Cache上的數(shù)據(jù)重用及處理器資源的充分利用，為了測(cè)