检索结果-内蒙古大学图书馆

作者：韦俊暾华中科技大学

学位级别：硕士

在计算机CPU核心数量不断增加、多用户互联网应用广泛普及的背景下,如何提高计算机程序的并发度,使之充分利用多核CPU的优势以及网络的等待时间,成为了软件开发的重要问题。数据结构是计算机程序的重要组成部分,在这种背景下,数据结构... 详细信息

在计算机CPU核心数量不断增加、多用户互联网应用广泛普及的背景下,如何提高计算机程序的并发度,使之充分利用多核CPU的优势以及网络的等待时间,成为了软件开发的重要问题。数据结构是计算机程序的重要组成部分,在这种背景下,数据结构的并发安全性与并发操作的性能也成为了软件开发人员关心的重要问题。因此,为满足软件开发人员在并发程序开发中对于无锁的、并发安全的数据结构的使用需求,基于不可变数据结构和Go语言设计并实现了一个提供无锁数据结构及相关操作的程序库。首先介绍了不可变数据结构通过共享大部分内容来实现高效性能的基本设计思想、使用不可变数据结构来实现并发安全的无锁数据结构的基本方法、与实现密切相关的Go语言运行时——特别是其内存管理模块与垃圾回收模块。其次在程序库的设计过程中,分析和对比了既有的一些数据结构,选择了其中适合改造成不可变数据结构的设计,并适当地根据不可变数据结构的设计特点进行了创新和优化,设计出了对应的不可变的方案,包括不可变栈、不可变二叉搜索树和不可变哈希集合,利用它们设计了程序库中对应的无锁数据结构。然后根据设计使用Go语言实现了程序库。最后为程序库设计了功能测试和非功能测试的测试用例并进行了相关的测试,根据基准测试的结果分析了性能。通过对基准测试的分析,可以看到程序库有足够优越的性能,能很好满足软件开发人员对于无锁数据结构的应用需求。

关键词：无锁数据结构并发安全不可变数据结构 Go语言

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基于无锁数据结构的FIFO队列算法

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计算机工程 2018年第8期44卷 315-320页

作者：王俊昌王振付雄南京邮电大学计算机学院南京210023 江苏省大数据安全与智能处理重点实验室南京210023

现代商用多核处理器缺少硬件支持的处理核间通信机制,多个处理核间必须通过加锁保护的共享内存传递数据。为此,设计一种基于软件的无锁队列作为核间通信机制,通过无锁数据结构提高软件队列的性能。当数据到达速率较低时,队列自适应地减... 详细信息

现代商用多核处理器缺少硬件支持的处理核间通信机制,多个处理核间必须通过加锁保护的共享内存传递数据。为此,设计一种基于软件的无锁队列作为核间通信机制,通过无锁数据结构提高软件队列的性能。当数据到达速率较低时,队列自适应地减小队列长度,从而占用较小的内存空间,进而更好地利用处理器高速缓存;当数据到达速率较高时,队列自适应地增加队列长度,以避免数据丢失。实验结果表明,在数据到达速率变化较大的实际应用场景中,该队列较FastForward、MCRingBuffer和B-Queue队列具有更高的数据处理性能。

关键词：无锁数据结构多核处理流水线并行自适应调整 CPU核间通信

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高性能消息队列中无锁数据结构的设计与实现

高性能消息队列中无锁数据结构的设计与实现

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作者：金琪南京邮电大学

学位级别：硕士

近些年来,处理器的发展趋势由高频转向多核,这使得利用多线程发挥多核处理器的计算能力具有现实意义。消息队列在操作系统和应用程序中均有广泛应用,但基于锁同步机制的消息队列无法发挥多核处理器的优势,同时锁的使用增加了数据竞争和... 详细信息

近些年来,处理器的发展趋势由高频转向多核,这使得利用多线程发挥多核处理器的计算能力具有现实意义。消息队列在操作系统和应用程序中均有广泛应用,但基于锁同步机制的消息队列无法发挥多核处理器的优势,同时锁的使用增加了数据竞争和死锁等严重问题的风险。因此,研究人员对无锁数据结构进行深入研究,使用比较与交换同步原语的无锁数据结构能够摆脱数据竞争和死锁等问题,但是大多数无锁数据结构伸缩性不够良好,未能充分发挥多核处理器的性能优势。消息队列的核心数据结构是队列和过滤器,因此利用伸缩性良好的队列和过滤器提升消息队列的性能具有重要研究意义。本文以对现有消息队列进行改进为背景,以无锁数据结构相关技术为切入点,对消息队列中间件的实现进行研究,主要工作如下:(1)提出基于获取与增加的无锁队列DQueue。每个生产者使用本地缓冲区暂存入队请求,当缓冲区满时将数据批量写入共享队列,消费者读取暂存在缓冲区的数据时,使用普通访问语句代替昂贵的原子指令,通过减少缓存缺失和写缓冲区刷新提升效率。(2)提出两种基于比较与交换的Cuckoo哈希表。在写负载大于读负载的情况下,基于比较与交换的负载均衡Cuckoo哈希表通过实时限制每个桶的负载率提升写入效率。在读负载大于写负载的情况下,基于比较与交换的局部性良好Cuckoo哈希表通过将数据项集中存储在哈希表某一区域内提高正向查询效率。(3)提出消息队列CDMQ,将基于比较与交换的Cuckoo哈希表改进成并发Cuckoo过滤器CCF。CDMQ以CCF和DQueue为基础,多个生产者写入数据,消费者读取通过CCF过滤检验的数据。实验表明,CDMQ具有吞吐量高,伸缩性良好的优点。

关键词：多线程无锁数据结构本地缓冲区原子指令负载均衡局部性良好

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并行计算机系统中的计数算法研究

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南京邮电大学学报（自然科学版） 2017年第6期37卷 81-89页

作者：王俊昌高亮李涛南京邮电大学计算机学院江苏南京210023 南京邮电大学江苏省大数据安全与智能处理重点实验室江苏南京210023

计数算法是计算机程序设计中的基础算法。然而,传统计数算法在新兴的多核并行计算机系统中存在计数效率低下以及计数不准确的问题。文中首先对这些问题进行深入量化分析,之后提出了一种适用于并行计算机系统的确定性高速计数算法。该算... 详细信息

计数算法是计算机程序设计中的基础算法。然而,传统计数算法在新兴的多核并行计算机系统中存在计数效率低下以及计数不准确的问题。文中首先对这些问题进行深入量化分析,之后提出了一种适用于并行计算机系统的确定性高速计数算法。该算法采用对计数器数据先进行快照再进行统计计数的方法,有效避免了计数算法中读者线程与写者线程之间的相互干扰,保证了计数数据的准确性;同时,通过采用无锁链表队列存储计数数据快照,实现了并发读取情况下的无阻塞计数统计,保证了计数算法的效率。实验论证和性能分析结果表明:在新一代的多核并行计算机中,本计数算法计数效率高且计数准确,综合性能优于现有算法。

关键词：无锁数据结构计数算法最终一致性

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面向农业物联网应用层的SCADA系统性能优化研究

面向农业物联网应用层的SCADA系统性能优化研究

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作者：陈秋红浙江大学

学位级别：硕士

物联网技术快速发展并在农业领域得到了广泛应用。随着农业物联网应用规模的扩大和网络通信量的增加,农业物联网应用层SCADA系统会遇到感知识别采集终端高并发的数据访问、数据标准异构导致通信协议消息格式在通用性、结构化和效率上难... 详细信息

物联网技术快速发展并在农业领域得到了广泛应用。随着农业物联网应用规模的扩大和网络通信量的增加,农业物联网应用层SCADA系统会遇到感知识别采集终端高并发的数据访问、数据标准异构导致通信协议消息格式在通用性、结构化和效率上难以实现平衡以及针对数据流快速响应和实时处理等问题。本文将农业SCADA系统抽象为一般功能模型,并根据数据流动过程分别研究数据采集、数据处理和数据存储子系统相关设计和优化技术,旨在提高系统通信并发性能的同时优化系统的数据处理能力。本文主要完成了以下几项工作：1、针对农业物联网应用层SCADA系统的通用性,将系统抽象为功能模型,分别从基于windows的网络通信模型、基于应用层协议和数据流处理算法的数据处理过程、基于连接池和查询优化的数据存储过程,探讨了提高系统数据处理能力的技术。2、针对完成端口机制中的信息定位、资源管理、内存页锁定和数据包处理等问题进行分析,优化了基于线程私有链表的对象池,提出了基于无锁数据结构、CAS机制和任务窃取的线程私有链表对象池优化策略,解决了线程池对共享资源的并行访问效率低的问题。3、针对数据标准不一致引起的通信协议消息格式混乱问题,提出了基于JSON和TLV的数据格式,解决了传感数据传输及解析低效问题,使数据传输和解析过程在占用带宽／内存和响应时间之间取得更好平衡；同时,针对农业物联网数据流的特点和处理需求,提出了适用于农业SCADA系统的数据流实时处理算法。4、设计并搭建了一种面向农业物联网应用层的农业SCADA系统,实现了农场的远程管理。系统验证了SCADA模型的通用性,解决了SCADA系统在面对大规模数据并发访问和处理时的性能问题。经过实际应用表明,在面对高速率数据访问请求时,对网络通信优化提高了系统并发连接网关的数量和通信效率,而协议格式优化提高了数据传输效率和数据包封装／解析效率,通过数据流处理算法降低系统的内存使用率同时提高输出结果的实时更新效率。

关键词：农业物联网 SCADA系统 IOCP 无锁数据结构 JSON TLV 数据流处理

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面向协议栈软件高并发无锁调度算法的研究与实现

面向协议栈软件高并发无锁调度算法的研究与实现

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作者：吴卿蓉武汉邮电科学研究院

学位级别：硕士

传统的多线程机制性能较差,数据同步方式是基于线程锁来避免资源竞争,在并发的环境下,线程锁可以保护共享数据,使得计算机系统中有限的资源可以被安全有序的访问。目前,协议栈软件多个线程通信和同步的主流的方法就是使用各类线程锁来... 详细信息

传统的多线程机制性能较差,数据同步方式是基于线程锁来避免资源竞争,在并发的环境下,线程锁可以保护共享数据,使得计算机系统中有限的资源可以被安全有序的访问。目前,协议栈软件多个线程通信和同步的主流的方法就是使用各类线程锁来进行数据同步。但是,基于锁的同步往往伴随着严重的缺陷,具体表现在线程锁会带来高度的资源竞争,在抢占资源的时候具有排他性,某一时刻只有一个线程具有使用某临界区资源的权限,这种串行等待资源运行的方式使得程序运行效率非常低,甚至会出现所有线程互相等待系统中其他线程所占用的资源而任何一个线程都不会主动放弃占用资源的死锁现象。针对传统协议栈软件系统的多线程通信机制下时延开销大,从而引起其运行效率低的问题,本论文提出一种适配协议栈软件N-BASE平台的安全高效的无锁数据结构,并且提出一种在无锁机制下的优化调度策略的方案,实现了协议栈软件在高并发状态下性能的极大提升。文章主要论述了:(1)对比分析了不同无锁数据结构的优点、缺点,结合协议栈软件的特点,提出一种全新的无锁并发数据结构,具体分析了其算法原理和工作机制,并且证明了算法的正确性。(2)针对无锁机制下数据同步问题,结合空间局部性原理和环形动态数组的思想,充分利用了N-BASE平台调度处理IPS时充足的内存资源,适配并发数据结构的高效无锁通信机制,避免了多线程环境下访问共享队列时引起的互斥开销。(3)提出一种无锁机制下N-BASE平台调度策略的优化方案,从系统层面阐述了多个线程在无锁机制下高效有序地完成线程通信的算法实现从而达到系统性能的大幅度提升。

关键词：协议栈软件高并发无锁数据结构调度机制系统性能

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变电站无线测温系统数据处理优化策略的研究

变电站无线测温系统数据处理优化策略的研究

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作者：奚林兴浙江大学

学位级别：硕士

变电站安全问题一直是业内关注的焦点,目前我国变电站存在平均故障率高的问题。安全可靠的变电站运行监测系统是变电站系统运行不可缺少的一部分,作为变电站设备安全运行的重要参数——温度的监测尤显重要。针对现有变电站温度监测系统... 详细信息

变电站安全问题一直是业内关注的焦点,目前我国变电站存在平均故障率高的问题。安全可靠的变电站运行监测系统是变电站系统运行不可缺少的一部分,作为变电站设备安全运行的重要参数——温度的监测尤显重要。针对现有变电站温度监测系统设在温度采集、显示和数据存储方面存在实时性低、冗余大和难以扩展等问题,本文对变电站温度在线监测系统的性能优化问题进行了研究,具体工作如下：(1)研究了变电站无线测温系统的多线程采集算法。现有多线程采集策略大多使用基于锁模型的生产者-消费者队列模型。针对该模型存在的锁获取和锁释放等同步代价高昂,不能发挥多核CPU优势等问题,本文在对比研究阻塞型和非阻塞型数据结构的基础之上,提出一种基于双CAS操作的无锁堆数据结构,并以此数据结构构建无锁测点缓冲区,实现多线程无锁同步采集算法。该算法比传统的模型在并发温度采集方面实时性和并发性更高。(2)研究了变电站树形结构温度更新算法。传统温度更新策略采用集中测点温度数据,一次刷新,更新所有测点温度的方法,该策略能解决数据规模较小的情形。当变电站测点数较多时,传统策略会占用较多系统资源,导致系统性能急剧下降,甚至产生假死、宕机等问题。为此,本文提出了基于脏数据回写的温度更新策略,分别使用Bitmap方法、Hash链表法、和B-树方法实现了该策略。最后验证基于B-树的策略在脏测点覆盖率达到90%以上时仍具有较高的更新效率。(3)研究了变电站非线性关系温度数据存取问题。关系型数据库存储非线性关系数据常采用的外键、多表连接等方式,这些方式存在着影响关系型数据库的查询性能、浪费存储空间和造成数据冗余等问题。本文在对比研究基于路径表示法、邻接表表示法、闭包表示法和嵌套集合表示法等算法的基础上,提出了一种改进型嵌套集合存取算法。该算法提高了数据增加、删除、改变和查寻测点信息等方面效率。本文设计和部署了HCES-8011变电站温度在线监测系统,实现了测点温度实时在线监测、实时发现故障点等功能,并利用此系统验证了本文提出的数据采集、处理和存储算法的效用。研究结果表明,本文提出的方案减少了系统数据带宽,提高了系统的实时性和响应速度,降低了数据的冗余,节省了存储空间。

关键词：变电站 CAS操作 ABA问题无锁数据结构 Bitmap算法 B-树算法嵌套集合表示法

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面向多线程程序的内存安全运行时验证

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计算技术与自动化 2019年第2期38卷 102-107页

作者：陈韬王明明南京航空航天大学计算机科学与技术学院

Linux操作系统、嵌入式系统、航电系统、通信系统等一般都是用C/C++语言进行编写。因为C语言具有偏底层硬件、移植性强、执行效率高等优秀特性。但是随着多核并行机的出现,许多语言也开始支持多线程编程。由于C语言本身存在着对内存访问... 详细信息

Linux操作系统、嵌入式系统、航电系统、通信系统等一般都是用C/C++语言进行编写。因为C语言具有偏底层硬件、移植性强、执行效率高等优秀特性。但是随着多核并行机的出现,许多语言也开始支持多线程编程。由于C语言本身存在着对内存访问时,不对内存边界进行检查的问题,从而造成软件系统相关的可靠性和安全性问题。对多线程C语言程序来说,由于多线程程序的不确定性,使得运行时验证多线程C程序的内存安全问题变得更加困难。通过使用基于改进的指针运行时验证技术、多核多线程技术、并行计算、无锁数据结构技术、源代码插桩技术方法,并结合开源工具Clang编译器实现原型工具Movec对多线程C程序的支持。该工具实现了对多线程C程序内存安全问题的运行时验证。然后通过Mibench和SARD测试用例进行实验,验证了该工具对多线程C程序进行运行时验证的有效性。

关键词：多线程多核无锁数据结构运行时验证源代码插桩编程语言

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