C ++ NUMA优化

Posted 2021-05-03

我正在研究最初为多核处理器系统开发的遗留应用程序。为了利用多核处理，已经使用了OpenMP和PPL。现在，新要求是在具有多个NUMA节点的系统上运行该软件。目标操作系统是Windows 7 x64。

我已经进行了几次测量，并注意到在将应用程序分配给单个NUMA节点时执行时间最佳，因此浪费了完整的处理器。应用程序的许多部分执行数据并行算法，例如，并行处理向量的每个元素，并将结果写入另一个向量，如下例所示

std::vector<int> data;
std::vector<int> res;

// init data and res

#pragma omp parallel for
for (int i = 0; i < (int) data.size(); ++i)
{  
  res[i] = doExtremeComplexStuff(data[i]);
}

据我所知，此类算法的性能下降是由第二个NUMA节点的非本地内存访问引起的。所以问题是如何使应用程序更好地运行。

是否以某种方式透明地加速了对非本地存储器的只读访问（例如，OS将数据从一个节点的本地存储器复制到另一个节点的本地存储器）？我是否必须拆分问题大小并将输入数据复制到相应的NUMA节点，处理它，然后再次组合所有NUMA节点的数据以提高性能？

如果是这种情况，是否有std容器的替代品，因为在分配内存时这些不是NUMA感知的？

答案

当您分配动态内存（例如std::vector）时，您可以有效地从虚拟内存空间获取一些范围的页面。当程序首次访问特定页面时，会触发页面错误并请求物理内存中的某些页面。通常，此页面位于生成页面错误的核心的本地物理内存中，这称为第一个触摸策略。

在您的代码中，如果std::vector的缓冲区的页面首先被单个（例如，主）线程触及，则可能发生这些向量的所有元素最终都在单个NUMA节点的本地存储器中。然后，如果将程序拆分为在所有NUMA节点上运行的线程，则某些线程在处理这些向量时会访问远程内存。

因此，解决方案是分配“原始内存”，然后首先用所有线程“触摸”它，然后在处理阶段由这些线程访问它们。不幸的是，使用std::vector并不容易实现，至少对于标准分配器。你能切换到普通的动态阵列吗？我会首先尝试这一点，看看他们的初始化是否有助于：

int* data = new int[N];
int* res = new int[N];

// initialization with respect to first touch policy
#pragma omp parallel for schedule(static)
for (int i = 0; i < N; i++) {
   data[i] = ...;
   res[i] = ...;
}

#pragma omp parallel for schedule(static)
for (int i = 0; i < N; i++)
   res[i] = doExtremeComplexStuff(data[i]);

使用static调度，元素到线程的映射应该在两个循环中完全相同。

---

但是，在访问这两个向量时，我不相信您的问题是由NUMA效应引起的。当你调用函数doExtremeComplexStuff时，似乎这个函数对运行时来说非常昂贵。如果这是真的，与函数调用相比，即使访问远程NUMA内存也可能是可以忽略不计的。整个问题可以隐藏在这个函数中，但我们不知道它的作用。