[发明专利]用于对数据结构的实例进行操作的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及对多线程软件的开发和处理，尤其涉及对数据结构的实例进行操作的方法和系统。

背景技术

在过去的二十多年的时间里，随着微电子技术的迅猛发展，计算机系统的性能和容量发生了爆炸性的增长。较多的计算资源意味着可以按并行的方式来同时执行更多的操作。因此，并行的体系结构以及并行的软件开发，在信息处理中发挥越来越核心的作用。

一个进程是在计算机系统上运行的一个程序或程序的一部分，或者是被某个程序执行的步骤的相关序列。每个进程包括一个或多个线程。线程是一组指令的集合，或者是程序的特殊段，它可以在程序里独立执行。所以线程基本上是轻量级的进程，它负责在单个程序里执行任务。通常由操作系统负责多个线程的调度和执行。

数据结构是一种数据的组织方案，例如记录或数组，籍此有助于解释数据或执行对数据的操作。一数据结构的一实例，是指一种数据结构的具体实施对象。对数据结构的实例的处理，在进程或程序中经常采用多线程处理，这可以充分利用系统资源，缩短程序响应时间，改善用户体验；如果程序中只使用单线程，那么程序的速度和响应无疑会大打折扣。多线程软件使得多个线程可以并行的工作以完成多项任务，以提高系统的效率。线程是在同一时间需要完成多项任务的时候被实现的。但是，程序采用了多线程后，就必须认真考虑线程调度的问题。如果调度不当，要么造成程序出错，要么造成荒谬的结果。众所周知，与顺序执行的软件相比，多线程软件更加难以开发。

由于多个线程之间可能存在的未预料到的冲突，具有并行体系结构的程序经常包含程序缺陷。尤其是，如果没有合适的同步机制，并行地访问共享的数据结构将产生无法预料的错误。到目前为止，人们通常使用两种方法来开发多线程软件。基于锁(lock-based)的方式和无锁(lock-free)的方式。

对于多线程编程和多线程并行处理，基于锁的方式是一种传统的方法。该方法利用加锁来实现同步，以便对共享资源进行访问。常用的同步原语(Synchronization primitives)如互斥体(mutexes)、旗语(s emaphores)和关键部件(critical sections)。这些同步原语通常被用于确保某些特定的部分代码不会被同时执行，否则将会破坏共享存储结构。如果一个线程试图获取已经被其它线程持有的锁，则该一个线程将会被阻塞(block)直至该锁被释放为止。例如，在程序中，很多任务必须以确定的先后秩序执行，对于两个线程必须以先后秩序执行的情况，可以用线程锁来处理。线程锁的大致思想是：如果线程A和线程B会分别执行实例的两个函数a和b，如果A必须在B之前运行，那么可以在B进入b函数时让B进入wait set，直到A执行完a函数再把B从wait set中激活。这样就保证了B必定在A之后运行，无论在之前它们的时间先后顺序是怎样的。

互斥锁(mutual-exclusion locks)是目前常用的一种机制，用于进程或线程间的同步。其简单并且容易实施。在高性能应用的并行计算环境里，这种简易性则无法实现。当使用大量的锁并且有许多线程并行执行时，互斥锁的可扩展性不佳。对于共享数据的并行访问，需要复杂的细粒度的锁策略，来将没有冲突的操作设置为并行执行。要保持良好的性能，这种策略很难设计，并且可能隐含问题，如死锁或优先级倒置。

由于多种已知的原因，使得不希望线程被阻塞。一个明显的原因是，如果一个线程被阻塞，则该线程在该期间无法完成任何任务。如果被阻塞的线程正在执行一个高优先级的任务，或者正在执行一个实时的任务，就更加不希望该线程被阻塞。

此外，多个锁之间的某些冲突还可能导致一些错误的状态，如死锁、活锁或优先级倒置(deadlock，live-lock，or priority inversion)。使用锁还涉及在粗粒度的锁和细粒度的锁两个方面之间进行折衷，粗粒度的锁可能会显著减少并行执行的机会，细粒度的锁需要更加细致的设计并且容易程序缺陷。