Open MP在Android多核編程中的研究與運(yùn)用

王沖，楊斌

（西南交通大學(xué)信息 科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610031）

引 言

雖然多核平臺(tái)具有很大的潛能，但由于多核軟件開發(fā)工具和標(biāo)準(zhǔn)的缺乏減緩了它們的全面普及。編程人員要想從這些系統(tǒng)中獲得更大的好處，可能還需要編寫底層代碼、調(diào)度工作單元，并管理內(nèi)核之間的同步。作為在桌面系統(tǒng)上興起的技術(shù)，Open MP在PC平臺(tái)上已經(jīng)非常成熟，但是在嵌入式領(lǐng)域，尤其是Android平臺(tái)的開發(fā)，大多還停留在傳統(tǒng)的單核模式。雖然Google增加了對(duì)Open MP的支持，但是在使用上還存在一些問題，如無法在用戶線程中使用Open MP，本文對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了研究并提出解決方案，最后通過測(cè)試程序進(jìn)行驗(yàn)證。

1 OpenMP的簡(jiǎn)介及特點(diǎn)

Open MP是由Open MP Architecture Review Board牽頭提出的，已被廣泛接受，是用于共享內(nèi)存并行系統(tǒng)的多線程程序設(shè)計(jì)的一套指導(dǎo)性注釋語句（Compiler Directive）。Open MP支持的編程語言包括C/C＋＋和Fortran；而支持Open MP的編譯器包括Intel Compiler和Sun Studio，以及開放源碼的Open64和GCC編譯器。Open MP提供了對(duì)并行算法的高層抽象描述，程序員可以通過在源代碼中加入專用的pragma來指明自己的意圖，然后編譯器自動(dòng)將程序進(jìn)行并行化，并在必要的地方加入同步互斥以及通信。當(dāng)選擇忽略這些pragma，或者編譯器不支持Open MP時(shí)，程序又可退化為通常的程序（一般為串行），代碼仍然可以正常運(yùn)作，只是不能利用多線程來加速程序執(zhí)行。

Open MP提供的這種對(duì)于并行描述的高層抽象降低了并行編程的難度和復(fù)雜度，這樣程序員可以把更多的精力投入到并行算法本身，而非其具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。對(duì)基于數(shù)據(jù)分集的多線程程序設(shè)計(jì)，Open MP是一個(gè)很好的選擇。同時(shí)，使用Open MP也提供了更強(qiáng)的靈活性，可以較容易地適應(yīng)不同的并行系統(tǒng)配置。線程粒度和負(fù)載平衡等是傳統(tǒng)多線程程序設(shè)計(jì)中的難題，但在Open MP中，Open MP庫從程序員手中接管了這兩方面的部分工作。

Open MP使用分叉-聯(lián)接（Fork-Join）模型實(shí)現(xiàn)并行執(zhí)行。程序從單線程或主線程開始，當(dāng)進(jìn)入并行區(qū)域時(shí)，主線程將創(chuàng)建一組并行的工作線程，位于并行模塊內(nèi)的語句由工作線程并行執(zhí)行。在并行區(qū)域末端，所有線程等待得到同步（聯(lián)接），如圖1所示。在這個(gè)階段完成之后開始串行執(zhí)行過程。Open MP的主要特性包括并行循環(huán)和分區(qū)，以及可能通過動(dòng)態(tài)調(diào)度加以執(zhí)行的任務(wù)身份。并行區(qū)域中的數(shù)據(jù)可以被所有線程共享，或?qū)γ總€(gè)線程保持私有屬性。因此它能幫助應(yīng)用程序開發(fā)人員減小代碼所占的內(nèi)存空間。

圖1 分叉-聯(lián)接（Fork-Join）模型

Open MP中最主要的是編譯指導(dǎo)語句，一條編譯指導(dǎo)語句由directive（命令，也叫指令）和clause list（子句列表）組成。在C/C＋＋中，Open MP編譯指導(dǎo)語句的使用格式為：

＃pragma omp＜directive＞ [clause[[，]clause]...]

并行計(jì)算可分為任務(wù)并行和數(shù)據(jù)并行。任務(wù)并行是把多個(gè)獨(dú)立的工作分開同時(shí)執(zhí)行，數(shù)據(jù)并行則把大的任務(wù)化解成若干個(gè)相同的子任務(wù)，處理起來比任務(wù)并行簡(jiǎn)單。Open MP的特性使我們很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行分解，使其獨(dú)立運(yùn)行，C語言中的for循環(huán)最適合使用數(shù)據(jù)并行。

2 OpenMP在Android上的使用

JNI（Java Native Interface）是Java本地調(diào)用接口，它使得運(yùn)行于Android平臺(tái)的Java程序可以使用C、C＋＋甚至匯編語言編寫的動(dòng)態(tài)鏈接庫。在需要頻繁訪問內(nèi)存或復(fù)雜計(jì)算的情況下，使用C動(dòng)態(tài)鏈接庫比在Android平臺(tái)上使用Java語言實(shí)現(xiàn)相同功能更具有效率。NDK（N-ative Development Kit）提供了一系列的工具，可以生成ARM二進(jìn)制碼的動(dòng)態(tài)庫，并且能自動(dòng)地將生成的動(dòng)態(tài)庫和Java應(yīng)用程序一起打包成Android系統(tǒng)可以直接安裝的apk安裝包，即NDK可以將包含JNI接口函數(shù)的C源程序文件編譯生成動(dòng)態(tài)庫，供Android應(yīng)用程序調(diào)用，提高了對(duì)現(xiàn)有代碼的重用性，而加快了開發(fā)進(jìn)度。由于Open MP不支持Java語言，所以使用Open MP就需要用到Android NDK。NDK允許開發(fā)者通過JNI將開發(fā)C（或C＋＋）的動(dòng)態(tài)庫嵌入到Java程序中，并能自動(dòng)將so和Java應(yīng)用一起打包成apk，JNI構(gòu)成了Java和C/C＋＋互相溝通的橋梁。Open MP使用示意圖如圖2所示。

圖2 OpenMP使用示意圖

2.1 引用OpenMP函數(shù)庫

由于最新的NDK已經(jīng)添加了對(duì)Open MP函數(shù)庫的支持，所以只需要在Android.mk文件中添加Open MP的標(biāo)志，然后使用編譯指導(dǎo)語句來并行化代碼。

編譯器將根據(jù)可用的CPU核數(shù)目設(shè)置線程數(shù)，自動(dòng)對(duì)C/C＋＋代碼并行化。

2.2 存在的問題

經(jīng)過跟蹤測(cè)試，當(dāng)前的NDK版本僅支持在主線程中使用Open MP（在用戶線程中使用Open Mp將會(huì)導(dǎo)致程序崩潰），但是如果僅在主線程中處理數(shù)據(jù)，無法達(dá)到UI與數(shù)據(jù)分離的目的，在處理一些耗時(shí)操作時(shí)將大大影響用戶體驗(yàn)，也失去了并行的意義。GOMP線程創(chuàng)建流程圖如圖3所示。

圖3 GOMP線程創(chuàng)建流程圖

通過對(duì)源代碼分析，發(fā)現(xiàn)是由于libgomp/libgomp.h中的gomp＿thread函數(shù)返回NULL。

進(jìn)一步分析，在GOMP（GCC標(biāo)準(zhǔn)下的Open MP）中，若使用了TLS（線程局部存儲(chǔ)），則設(shè)置HAVE＿TLS標(biāo)志，并會(huì)產(chǎn)生一個(gè)全局變量gomp＿tls＿data跟蹤每個(gè)線程的狀態(tài)，否則將通過pthread＿setspecific函數(shù)來管理線程特有的數(shù)據(jù)。由于Android中用戶線程不支持TLS，所以只能通過pthread＿setspecific函數(shù)來管理線程特有的數(shù)據(jù)，當(dāng) GOMP創(chuàng)建線程時(shí)，libgomp/team.c中的gomp＿thread＿start函數(shù)將設(shè)置線程特有的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建獨(dú)立線程（用戶線程）時(shí)，線程特有的數(shù)據(jù)沒有設(shè)置，從而gomp＿thread函數(shù)返回NULL，導(dǎo)致程序崩潰。因此，必須在調(diào)用gomp＿thread時(shí)初始化線程特有數(shù)據(jù)。

2.3 解決方案

由于修改了源代碼，所以需要對(duì)NDK的交叉編譯工具鏈進(jìn)行重新編譯，方法如下：

①下載Android NDK源碼。

②修改libgomp.h源代碼。

③編譯。

＃ ./build/tools/build-gcc.sh--verbose＄（pwd）/src＄（pwd）arm-linux-androideabi-4.8

④將生成的libgomp.a文件拷貝到NDK的安裝目錄替換。

3 應(yīng)用與結(jié)果分析

完成了對(duì)NDK的修改，將對(duì)Open MP在Android平臺(tái)上的性能進(jìn)行測(cè)試。本次測(cè)試分別使用單核、雙核、4核的Android設(shè)備對(duì)800×600的灰度圖像進(jìn)行3×3的均值濾波。

3.1 均值濾波任務(wù)并行化

均值濾波是典型的線性濾波算法，它是指在圖像上對(duì)目標(biāo)像素f（x，y）給定一個(gè)模板，該模板包括了其周圍的臨近像素（以目標(biāo)像素為中心的周圍m個(gè)像素，構(gòu)成一個(gè)濾波模板，即去掉目標(biāo)像素本身）。再用模板中的全體像素的平均值g（x，y）來代替原來像素值。

g（x，y）＝1/m ∑f（x，y）

傳統(tǒng)的處理方法將會(huì)遍歷每個(gè)像素點(diǎn)，依次處理，而Open MP的for語句可以將這部分工作并行化。并行for語句語法：

＃pragma omp[parallel]for[clauses]

主要實(shí)現(xiàn)代碼如下：

3.2 結(jié)果分析

將每個(gè)像素點(diǎn)的處理劃分成獨(dú)立的任務(wù)并行處理，得到使用Open MP和不使用Open MP的情況下所需要的時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如表1所列。

表1 運(yùn)行結(jié)果對(duì)比

從表1中可以看出，隨著CPU內(nèi)核數(shù)目的增加，Open MP對(duì)性能的提升也更為顯著，在4核設(shè)備上使用Open MP的運(yùn)行時(shí)間接近不使用所需時(shí)間的四分之一。

結(jié) 語

雖然Open MP在Android上的運(yùn)用還不成熟，但是在Android軟硬件快速發(fā)展的今天，其憑借易入門、良好的可移植性會(huì)在將來得到廣泛應(yīng)用。本文對(duì)Open MP在Android上進(jìn)行多核編程進(jìn)行研究，解決了用戶無法再創(chuàng)建的線程使用Open MP的問題，并通過測(cè)試證明Open MP能夠顯著提高多核設(shè)備的性能。

[1]Open MP architecture Review Board.Open MP Application Program Interface Version 4.0，2012.

[2]Keith Obenschain.Open MP support in NDK[EB/OL].[2014-03].https：//groups.google.com/d/topic/androidndk/p Ufqx URg Nb Q.

[3]Sylvain Ratabouil.Android NDK beginner＇s Guide[M].Birmingham：PACKT Publishing，2012.

[4]王如親.并行算術(shù)編碼在Android上的實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2013（9）.

[5]許曉寧.Java Native Interface應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2006，33（10）：291-292.

[6]王科俊，熊新炎，任楨.高效均值濾波算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2010（2）.

[7]Open MP Application Program Interface，2012.