一種基于國(guó)產(chǎn)異構(gòu)眾核處理器的C++智能源碼轉(zhuǎn)換框架*

俞茂學(xué),賈東寧，2,魏志強(qiáng),2,許佳立,馬廣浩

(1.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237;2.中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266100)

1 引言

超級(jí)計(jì)算機(jī)是當(dāng)前信息時(shí)代世界各主要國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)激烈的科技制高點(diǎn)，是一個(gè)國(guó)家科技水平和綜合國(guó)力的重要標(biāo)志。中美競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，超算作為第四次工業(yè)革命的重大基礎(chǔ)設(shè)施，已成為兩國(guó)角力的主要戰(zhàn)場(chǎng)之一，其國(guó)產(chǎn)化已經(jīng)上升為國(guó)家戰(zhàn)略。我國(guó)國(guó)產(chǎn)化處理器以異構(gòu)眾核的申威SW26010為代表,該處理器包含4個(gè)運(yùn)算核組CG(Core Group)，每個(gè)核組包括1個(gè)內(nèi)存控制器MC(Memory Controller)和64個(gè)運(yùn)算核心，理論峰值性能達(dá)到125.4 Pflop/s，核心工作頻率1.5 GHz，性能指標(biāo)世界領(lǐng)先[1]。該芯片的架構(gòu)面向高性能計(jì)算，通過(guò)統(tǒng)一指令系統(tǒng)、統(tǒng)一執(zhí)行模型和支持一致性的主存共享，實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)核心的深度融合[2]。在基礎(chǔ)軟件生態(tài)方面，已經(jīng)部署完成了神威·太湖之光操作系統(tǒng)神威睿思(RaiseOS 2.0.5)，支持Linux系統(tǒng)，支持國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的編程語(yǔ)言，如C/C++ /Fortran編譯器以及相適配的向量工具、基礎(chǔ)數(shù)學(xué)庫(kù)等。此外，在并行編程工具方面，主要采用神威OpenACC，兼容OpenACC 2.0標(biāo)準(zhǔn)，并添加了部分定制功能[3]。該國(guó)產(chǎn)芯片打破了國(guó)際對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)了軟硬件全部國(guó)產(chǎn)定制開(kāi)發(fā)。

異構(gòu)眾核架構(gòu)雖然具有諸多優(yōu)勢(shì)，但在單個(gè)計(jì)算結(jié)點(diǎn)內(nèi)集成了大量不同類(lèi)型的處理器核心，使得體系結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，這給程序設(shè)計(jì)特別對(duì)于多核架構(gòu)的遺產(chǎn)代碼移植帶來(lái)了挑戰(zhàn)。另一方面，當(dāng)前人工智能與大數(shù)據(jù)領(lǐng)域應(yīng)用軟件九成以上是基于x86和GPU開(kāi)發(fā)的，海量的遺產(chǎn)代碼對(duì)移植工作造成了較大困難。采用人工進(jìn)行并行程序編寫(xiě)和優(yōu)化往往具有很高的運(yùn)行效率，但存在成本高、效率低等問(wèn)題。王一超等人[3,4]在神威·太湖之光上完全手工移植了科學(xué)應(yīng)用GTC-P，代碼效率高，但成本也較高。當(dāng)前，國(guó)產(chǎn)眾核架構(gòu)的并行編譯系統(tǒng)無(wú)法支持眾核C++ 編譯，導(dǎo)致大量C++ 遺產(chǎn)程序無(wú)法利用神威·太湖之光的從核加速優(yōu)勢(shì)，阻礙了國(guó)產(chǎn)眾核系統(tǒng)的發(fā)展步伐。

在眾核結(jié)構(gòu)的并行化編譯領(lǐng)域，面向GPU平臺(tái)，研究人員針對(duì)并行編譯系統(tǒng)的自動(dòng)移植做了大量工作。Matsumura等人[5]提出了基于OpenACC的普適于多GPU的源-源轉(zhuǎn)換器，通過(guò)識(shí)別GPU類(lèi)型生成不同的OpenACC制導(dǎo)語(yǔ)句。Lashgar等人[6]提出了一種將OpenACC自動(dòng)翻譯成OpenCL(Open Computing Language)和CUDA(Compute Unified Device Architecture)的源-源翻譯工具，將輸入代碼進(jìn)行歸一化處理后，經(jīng)過(guò)中間層X(jué)ML格式分離出主機(jī)代碼和加速代碼，對(duì)加速代碼進(jìn)行轉(zhuǎn)換，形成CUDA和OpenACC代碼。Lee等人[7]實(shí)現(xiàn)了將面向共享存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)的OpenMP程序轉(zhuǎn)換成GPGPU程序的自動(dòng)轉(zhuǎn)換和優(yōu)化框架，能夠?qū)⒁延械腛penMP程序移植到GPU眾核平臺(tái)。國(guó)內(nèi)研究主要集中在利用clang編譯前端對(duì)OpenACC進(jìn)行源碼轉(zhuǎn)換的工作上。江霞[8]提出利用clang編譯前端對(duì)Intel Xeon Phi協(xié)處理器進(jìn)行自動(dòng)OpenACC轉(zhuǎn)換。本研究過(guò)程中采用的開(kāi)源ANTLR(ANother Tool for Language Recognition)是一個(gè)功能強(qiáng)大的解析器生成器，用以讀取、處理、執(zhí)行或翻譯結(jié)構(gòu)化文本，被廣泛用于構(gòu)建語(yǔ)言、工具和框架，通過(guò)利用其強(qiáng)大的語(yǔ)法規(guī)則支持，源碼轉(zhuǎn)換的難度被大幅降低。

C++ 作為面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，其關(guān)鍵語(yǔ)言特性為類(lèi)和對(duì)象、模板和泛型設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)及并發(fā)設(shè)計(jì)[9]。本文針對(duì)這幾個(gè)關(guān)鍵特性，基于ANTLR的源碼翻譯工具，探討其自動(dòng)轉(zhuǎn)換成C語(yǔ)言的原理和可實(shí)現(xiàn)性。針對(duì)科學(xué)運(yùn)算的領(lǐng)域代碼特點(diǎn)，對(duì)于較少使用或者轉(zhuǎn)換復(fù)雜的STL(Standard Template Library)庫(kù)函數(shù)等進(jìn)行自動(dòng)標(biāo)注，構(gòu)建了一整套C++ 轉(zhuǎn)換成C語(yǔ)言的輔助轉(zhuǎn)換框架，協(xié)助程序開(kāi)發(fā)人員實(shí)現(xiàn)存量遺產(chǎn)代碼的快速移植。

本文首先介紹了國(guó)產(chǎn)眾核的并行編譯系統(tǒng)、ANTLR架構(gòu)、面向?qū)ο蠛兔嫦蜻^(guò)程語(yǔ)言的特點(diǎn)及轉(zhuǎn)換要素。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述了源碼轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵技術(shù)，最終將轉(zhuǎn)換后的代碼在神威·太湖之光國(guó)產(chǎn)眾核系統(tǒng)上進(jìn)行了轉(zhuǎn)換代碼的試運(yùn)行。

2 研究基礎(chǔ)

2.1 國(guó)產(chǎn)眾核架構(gòu)及并行編譯系統(tǒng)

神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算機(jī)上使用的神威SW26010芯片架構(gòu)如圖1所示，使用64位自主申威指令系統(tǒng)，采用片上融合異構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)，每個(gè)核組內(nèi)64個(gè)從核按照8×8的mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由片上內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)互連[2]。眾核處理器體系結(jié)構(gòu)不僅對(duì)科學(xué)工程計(jì)算具有較高的效能和較好的適應(yīng)性，對(duì)雙精度、單精度的矩陣計(jì)算的支持同樣能夠在一定程度上滿足人工智能的關(guān)鍵計(jì)算需求[10]。

Figure 1 Architecture of Sunway many-core processor

神威·太湖之光的軟件系統(tǒng)采用定制的64位Linux操作系統(tǒng)，由基礎(chǔ)編程語(yǔ)言、并行編程語(yǔ)言和接口、用戶使用環(huán)境、基礎(chǔ)編程環(huán)境和工具等4部分組成，如圖2所示。并行編程支持與國(guó)際接軌的并行編程標(biāo)準(zhǔn)，包括MPI 3.0、OpenMP 3.1、Pthreads、OpenACC 2.0，支持消息并行編程模型、共享并行編程模型、加速并行編程模型，滿足科學(xué)與工程計(jì)算課題開(kāi)發(fā)和移植的多樣性需要[11]。

Figure 2 Software environment composition of Sunway TaihuLight

并行開(kāi)發(fā)主要采用2種架構(gòu)，MPI+Athread和MPI+OpenACC*。其中，Athread直接控制LDM和DMA，可以控制使用所有的硬件功能，需要編寫(xiě)主核、從核程序，改造時(shí)間較長(zhǎng)，需要性能細(xì)節(jié)人為可見(jiàn)、可控，需要深刻理解架構(gòu)特點(diǎn)，掌握優(yōu)化方法。如劉徐等人[12]對(duì)遺傳算法的并行參數(shù)自動(dòng)尋優(yōu)的研究。OpenACC*可以在短時(shí)間完成移植，并獲得可觀的加速性能，保持跨平臺(tái)的可移植性，在“神威·太湖之光”上獲得了廣泛應(yīng)用。面向申威SW26010異構(gòu)眾核處理器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，OpenACC*是在OpenACC 2.0的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)精簡(jiǎn)和擴(kuò)充構(gòu)建而成的，以編譯指令的方式提供眾核編程所需的語(yǔ)言功能。編譯器為國(guó)產(chǎn)定制的SWACC/SWAFORT。整個(gè)編譯系統(tǒng)的支持情況如表1所示。

Table 1 Sunway basic compilation command

2.2 面向?qū)ο笳Z(yǔ)言和面向過(guò)程語(yǔ)言的特點(diǎn)及轉(zhuǎn)換要素

面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言的核心思想是數(shù)據(jù)抽象、繼承和動(dòng)態(tài)綁定。通過(guò)使用數(shù)據(jù)抽象，可以將類(lèi)的接口和實(shí)現(xiàn)分離；使用繼承，可以定義相似的類(lèi)型并對(duì)其相似關(guān)系建模；使用動(dòng)態(tài)綁定，可以在一定程度上忽略相似類(lèi)型的區(qū)別，而以統(tǒng)一的方式使用它們的對(duì)象[13]。面向過(guò)程程序設(shè)計(jì)基于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)思想，強(qiáng)調(diào)程序結(jié)構(gòu)規(guī)范為順序、選擇和循環(huán)3種基本結(jié)構(gòu)。以算法為核心，把數(shù)據(jù)和操作分離。按照解決問(wèn)題的過(guò)程劃分模塊，集中處理數(shù)據(jù)，運(yùn)行效率高。但是，代碼的重用性和可擴(kuò)展性比較差。C語(yǔ)言作為面向過(guò)程的語(yǔ)言更為普及地應(yīng)用于并行計(jì)算。根據(jù)2種完全不同架構(gòu)的語(yǔ)言特點(diǎn)，其轉(zhuǎn)換要素主要聚焦于類(lèi)的封裝、繼承和多態(tài)，模板和泛型設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和并行設(shè)計(jì)。

本文構(gòu)建了C++轉(zhuǎn)換成C語(yǔ)言的輔助開(kāi)發(fā)框架，建立C++轉(zhuǎn)換后的C代碼框架、增加轉(zhuǎn)換標(biāo)注以及建立C轉(zhuǎn)換常用函數(shù)代碼，加速開(kāi)發(fā)人員的移植速度。類(lèi)封裝和繼承的C轉(zhuǎn)換采用C語(yǔ)言的結(jié)構(gòu)體作為類(lèi)轉(zhuǎn)換的目標(biāo)，識(shí)別基類(lèi)和繼承類(lèi)，并賦予不同的結(jié)構(gòu)體命名規(guī)則。多態(tài)的轉(zhuǎn)換利用多態(tài)規(guī)則的識(shí)別，通過(guò)類(lèi)名和函數(shù)名對(duì)多態(tài)函數(shù)進(jìn)行區(qū)分和重定義。借鑒編譯器處理模板和實(shí)例化的方法，建立模板和實(shí)例化的關(guān)系，并通過(guò)2次語(yǔ)法樹(shù)遍歷解析，實(shí)現(xiàn)了C語(yǔ)言轉(zhuǎn)換。C++作為典型的面向?qū)ο蟮恼Z(yǔ)言，其提供了豐富的STL庫(kù)，對(duì)于STL庫(kù)的解析，本文創(chuàng)建了自動(dòng)標(biāo)注及輔助部分C函數(shù)對(duì)應(yīng)實(shí)現(xiàn)的方式。通過(guò)以上設(shè)計(jì)，表明了輔助快速移植的可行性和有效性。

2.3 ANTLR的開(kāi)源翻譯工具

ANTLR是以PCCTS(Purdue Compiler Construction Tool Set)為基礎(chǔ)構(gòu)建的開(kāi)源工具，致力于解決編譯前端的所有工作。研究表明，ANTLR的語(yǔ)法可以用來(lái)定義模板語(yǔ)言的詞法記號(hào)和語(yǔ)法規(guī)則[14]。該工具可以對(duì)Java、C/C++、C#等語(yǔ)言進(jìn)行語(yǔ)法描述，自動(dòng)生成詞法分析器和語(yǔ)法分析器，將開(kāi)發(fā)人員輸入的程序根據(jù)相對(duì)應(yīng)的編程語(yǔ)言語(yǔ)法規(guī)則轉(zhuǎn)換為抽象語(yǔ)法樹(shù)。在ANTLR強(qiáng)大的支持下，大大降低了源碼轉(zhuǎn)換的難度。首先，采用詞法分析器處理字符序列，并把產(chǎn)生的詞法符號(hào)交給語(yǔ)法分析器。其次，基于以上信息開(kāi)展語(yǔ)法檢查，并構(gòu)建一棵語(yǔ)法分析樹(shù)。在這個(gè)過(guò)程中，使用的ANTLR類(lèi)包括：CharStream、Lexer、Token Stream、Parser和ParseTree。通過(guò)TokenStream，可以把詞法分析器和語(yǔ)法分析器進(jìn)行連接[15]，實(shí)現(xiàn)類(lèi)之間的交互，如圖3所示。

Figure 3 Interaction mode between ANTLR classes

3 C++代碼輔助智能轉(zhuǎn)換工具的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

在開(kāi)源的C++語(yǔ)法規(guī)則CPP14.g4的基礎(chǔ)上，使用ANTLR對(duì)C++源碼進(jìn)行詞法分析、語(yǔ)法分析和語(yǔ)義分析，生成抽象語(yǔ)法樹(shù)，結(jié)合ANTLR自帶的ParseTreeProperty類(lèi)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)子節(jié)點(diǎn)內(nèi)容的C轉(zhuǎn)換，最終形成目標(biāo)C語(yǔ)言的解析樹(shù)。

依據(jù)C++的代碼特點(diǎn)和抽象語(yǔ)法樹(shù)的節(jié)點(diǎn)路徑關(guān)系，本文將C++代碼分為5部分進(jìn)行解析：基類(lèi)聲明、繼承類(lèi)聲明、函數(shù)定義、函數(shù)參數(shù)和main函數(shù)。針對(duì)以上不同部分，構(gòu)建區(qū)別化的解析轉(zhuǎn)換流程。

對(duì)于C++特有的泛型設(shè)計(jì)、引用、運(yùn)算符重載等語(yǔ)法特點(diǎn)，本文采用2次語(yǔ)法樹(shù)遍歷解析的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在第1次語(yǔ)法樹(shù)遍歷中，獲取模板和實(shí)例化的對(duì)應(yīng)關(guān)系，引用變量名稱(chēng)等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時(shí)構(gòu)建通用的Utility類(lèi)，保存關(guān)鍵解析數(shù)據(jù)。在第2次語(yǔ)法樹(shù)遍歷中，使用先前獲取到的關(guān)鍵解析數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)例化的C語(yǔ)言轉(zhuǎn)換。

以科學(xué)計(jì)算領(lǐng)域常用的STL庫(kù)為研究對(duì)象，進(jìn)行STL庫(kù)的轉(zhuǎn)換。對(duì)頻繁調(diào)用的STL庫(kù)，采用預(yù)先完成轉(zhuǎn)換的C語(yǔ)言函數(shù)進(jìn)行替代和重構(gòu)。對(duì)不常用的STL庫(kù)函數(shù)或者C++的特殊用法，創(chuàng)建自動(dòng)標(biāo)注體系輔助開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行快速有效識(shí)別，并進(jìn)行替換。

整個(gè)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

Figure 4 Overall architecture of source code transforms

3.2 類(lèi)的識(shí)別及結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)換

C++的類(lèi)轉(zhuǎn)換成C的結(jié)構(gòu)體聲明，其實(shí)現(xiàn)步驟如下所示：

(1)基類(lèi)和繼承類(lèi)的劃分。繼承類(lèi)的C轉(zhuǎn)換需要將對(duì)應(yīng)基類(lèi)作為結(jié)構(gòu)體指針變量，從而實(shí)現(xiàn)C++的繼承特性。

(2)類(lèi)成員通用函數(shù)解析與轉(zhuǎn)換。在C++中，類(lèi)成員函數(shù)中可以直接調(diào)用類(lèi)中的其他成員變量，但對(duì)于C語(yǔ)言而言是非法的。因此，需要在C語(yǔ)言所有類(lèi)成員函數(shù)的參數(shù)中增加此類(lèi)的結(jié)構(gòu)體指針變量，用于類(lèi)成員變量的相互調(diào)用。

(3)類(lèi)的構(gòu)造函數(shù)解析與轉(zhuǎn)換。構(gòu)造函數(shù)名稱(chēng)需要與類(lèi)名稱(chēng)進(jìn)行區(qū)別化處理，增加Str前綴，且指針化(*Str+函數(shù)名)處理。針對(duì)構(gòu)造函數(shù)使用初始化列表的過(guò)程，需要進(jìn)行2部分轉(zhuǎn)換。首先，對(duì)構(gòu)造函數(shù)的聲明進(jìn)行先行轉(zhuǎn)換；其次，在函數(shù)定義過(guò)程中進(jìn)行初始化列表轉(zhuǎn)換。

(4)類(lèi)的虛函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)的解析與轉(zhuǎn)換。首先，通過(guò)virtual關(guān)鍵字識(shí)別類(lèi)的虛函數(shù)。其次，采用類(lèi)名+變量名組合的形式進(jìn)行函數(shù)名稱(chēng)的轉(zhuǎn)換。然后，在虛函數(shù)參數(shù)中增加結(jié)構(gòu)體指針變量，以解決類(lèi)的多態(tài)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。

(5)類(lèi)成員變量的解析變換。針對(duì)C++中特有的變量，例如String、vector、list等，需要進(jìn)行類(lèi)型轉(zhuǎn)換和標(biāo)注，以滿足轉(zhuǎn)換需求。

類(lèi)聲明的C結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)換實(shí)例如圖5所示。

Figure 5 Example of class structure transforms

3.3 函數(shù)定義轉(zhuǎn)換

函數(shù)定義是源碼轉(zhuǎn)換的重要環(huán)節(jié)，本文采用預(yù)先設(shè)定的范圍標(biāo)簽進(jìn)行區(qū)別化轉(zhuǎn)換。函數(shù)定義的解析分為2部分：函數(shù)頭和函數(shù)體。函數(shù)定義的轉(zhuǎn)換需要考慮類(lèi)型因素。根據(jù)函數(shù)定義的特點(diǎn)，其類(lèi)型主要包含類(lèi)成員函數(shù)、構(gòu)造函數(shù)、虛函數(shù)、析構(gòu)函數(shù)、普通函數(shù)和main函數(shù)等。函數(shù)定義轉(zhuǎn)換的具體過(guò)程如圖6所示。首先，通過(guò)函數(shù)類(lèi)型識(shí)別，查表獲得預(yù)先保存的函數(shù)頭。其次，在函數(shù)體轉(zhuǎn)換中，識(shí)別出構(gòu)造函數(shù)的初始化列表，結(jié)合預(yù)先保存的類(lèi)成員變量對(duì)初始化列表進(jìn)行C轉(zhuǎn)換。解析函數(shù)體中的表達(dá)式的類(lèi)型和關(guān)鍵字，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的自動(dòng)標(biāo)注或C轉(zhuǎn)換。最后，組合解析后的函數(shù)頭和函數(shù)體，形成轉(zhuǎn)換后完整的函數(shù)定義。

Figure 6 C transform process of function definition

3.4 模板實(shí)例化轉(zhuǎn)換

泛型程序設(shè)計(jì)是一種把算法程序從獨(dú)立的源程序中抽離出來(lái)的抽象編程機(jī)制，具有簡(jiǎn)化程序、提高代碼可讀性與復(fù)用性的特點(diǎn)。模板作為泛型程序設(shè)計(jì)的核心部分，一直被用于開(kāi)發(fā)可復(fù)用軟件，是C++最重要的語(yǔ)言特性之一[16]。模板作為泛型設(shè)計(jì)的一個(gè)典型應(yīng)用，分為函數(shù)模板和類(lèi)模板。其中，函數(shù)模板通過(guò)函數(shù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)實(shí)例化，類(lèi)模板通過(guò)將模板形參與實(shí)參實(shí)現(xiàn)綁定實(shí)現(xiàn)實(shí)例化。

為了便于模板的實(shí)例化轉(zhuǎn)換，本文在第1次語(yǔ)法遍歷過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化，其結(jié)構(gòu)為：map〈〈模板，實(shí)例〉，類(lèi)名(函數(shù)名)〉。在類(lèi)模板數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化方面，由于其格式比較固定，一般出現(xiàn)在類(lèi)的變量定義和初始化階段，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化過(guò)程相對(duì)固定；在函數(shù)模板數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化方面，由于其實(shí)例化的表現(xiàn)形式較多，會(huì)出現(xiàn)多個(gè)函數(shù)模板嵌套調(diào)用的現(xiàn)象，導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化獲取不全。針對(duì)這種狀況，本文增加了map〈模板，函數(shù)名〉鍵值對(duì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以保證嵌套模板函數(shù)的完全實(shí)例化。

在第2次語(yǔ)法樹(shù)遍歷過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)了模板的實(shí)例化轉(zhuǎn)換，其主要過(guò)程如圖7所示。

Figure 7 Instance process of template function

具體表現(xiàn)為：

(1)添加特殊標(biāo)簽。對(duì)語(yǔ)法樹(shù)解析的變量類(lèi)型入口trailing-type-specifier添加特殊標(biāo)簽，同步對(duì)模板名和實(shí)例名增加相同的標(biāo)簽，以解決對(duì)類(lèi)或函數(shù)模板實(shí)例化時(shí)出現(xiàn)的誤替換問(wèn)題。例如，模板名稱(chēng)為D，實(shí)例化為float類(lèi)型，如果代碼中有變量定義包含D，如 D Data = 0.1;則表達(dá)式會(huì)被誤替換為float floatata=0.1；類(lèi)型增加了特殊標(biāo)簽后，表達(dá)式變更為Dqnlm Data = 0.1；進(jìn)行模板實(shí)例化替換時(shí)則杜絕了誤替換的問(wèn)題。

(2)語(yǔ)法樹(shù)節(jié)點(diǎn)判斷。類(lèi)的實(shí)例化導(dǎo)致實(shí)例化前后的類(lèi)所處的語(yǔ)法樹(shù)節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化，如圖8所示。因此，在Declaration節(jié)點(diǎn)中增加判斷，確保實(shí)例化后的C結(jié)構(gòu)體聲明正確壓棧，解決了實(shí)例化后無(wú)法從下一級(jí)語(yǔ)法樹(shù)上正確獲取的問(wèn)題。

Figure 8 Change of syntax tree after instantiation

(3)函數(shù)模板實(shí)例化。考慮到函數(shù)模板中嵌套調(diào)用函數(shù)模板的情況，將第1次遍歷過(guò)程中未找到實(shí)例化的函數(shù)模板統(tǒng)一保存，并集中處理。首先，對(duì)第1次遍歷中找到的實(shí)例化函數(shù)進(jìn)行解析。其次，對(duì)此函數(shù)進(jìn)行2次遍歷，使用預(yù)先保存的尚未實(shí)例化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)〈模板，函數(shù)名〉進(jìn)行查找，判斷是否存在新的實(shí)例化對(duì)象，并保存到newinstance數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中。最后，針對(duì)所有的未實(shí)例化的模板函數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一實(shí)例化，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)newinstance的增加和刪除，實(shí)現(xiàn)所有模板函數(shù)的實(shí)例化。

(4)類(lèi)模板實(shí)例化。首先，對(duì)類(lèi)模板及類(lèi)成員函數(shù)進(jìn)行實(shí)例化。在此基礎(chǔ)上，建立實(shí)例化的類(lèi)名稱(chēng)和類(lèi)成員函數(shù)的賦值對(duì)應(yīng)關(guān)系。對(duì)實(shí)例化的類(lèi)名和類(lèi)成員函數(shù)進(jìn)行鍵值對(duì)保存，以用于在結(jié)構(gòu)體初始化時(shí)進(jìn)行對(duì)應(yīng)賦值。

需要說(shuō)明的是，基于函數(shù)模板的STL庫(kù)是一類(lèi)使用頻繁且封裝好的庫(kù)，因此該部分的實(shí)例化轉(zhuǎn)換采用預(yù)先完成轉(zhuǎn)換的C語(yǔ)言函數(shù)進(jìn)行替代和重構(gòu)。以cout標(biāo)準(zhǔn)輸出為例，匯總其輸出的格式化標(biāo)記、格式操作符及格式化函數(shù)，并進(jìn)行C語(yǔ)言Printf的對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了cout標(biāo)準(zhǔn)輸出的C轉(zhuǎn)換方式，如表2所示。

3.5 自動(dòng)標(biāo)注體系

C++11的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)由11個(gè)子庫(kù)構(gòu)成，包括3個(gè)新型標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)和8個(gè)傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。由于C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴(lài)于模板，使得STL庫(kù)組件具有廣泛通用性的底層特征。STL庫(kù)由容器、算法、迭代器、仿函數(shù)和內(nèi)存分配器組成，包含了諸多在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域中常用的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和基本算法，提供了一個(gè)可擴(kuò)展的應(yīng)用框架，高度體現(xiàn)了軟件的可復(fù)用性[17]。

Table 2 Transform key points for cout STL library

在C++到C語(yǔ)言的源代碼轉(zhuǎn)換過(guò)程中，STL庫(kù)的轉(zhuǎn)換是主要難點(diǎn)之一。本文基于對(duì)C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的理解，構(gòu)建了自動(dòng)標(biāo)注體系，通過(guò)關(guān)鍵字和語(yǔ)義的識(shí)別，標(biāo)注出需要替換的庫(kù)函數(shù)，便于程序員進(jìn)行快速分析和開(kāi)發(fā)，以實(shí)現(xiàn)STL庫(kù)的快速轉(zhuǎn)換。其中，本文構(gòu)建的自動(dòng)標(biāo)注體系類(lèi)別信息如表3所示。

Table 3 Category corresponding information of automatic marking system

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 轉(zhuǎn)換后的代碼框架

本文選取經(jīng)典的BableStream內(nèi)存基準(zhǔn)帶寬程序?yàn)閷?shí)驗(yàn)對(duì)象。該程序提供了基于GPU的內(nèi)存?zhèn)鬏斔俾实幕鶞?zhǔn)測(cè)試[18]，編程語(yǔ)言為C++，支持包括OpenACC、OpenCL和OpenMP在內(nèi)的多種并行架構(gòu)，提供了4種主要的加速任務(wù)，由于具有跨平臺(tái)性及高可靠性，該程序被廣泛應(yīng)用于并行計(jì)算領(lǐng)域。BableStream僅能支持Intel和PGI的編譯器，并且編程語(yǔ)言為C++，無(wú)法在國(guó)產(chǎn)眾核平臺(tái)上直接運(yùn)行。本文對(duì)BableStream程序進(jìn)行了輔助智能轉(zhuǎn)換，加速了代碼轉(zhuǎn)換的效率，轉(zhuǎn)換框架如圖9所示。

Figure 9 C language translation framework of BableStream

轉(zhuǎn)換后的代碼經(jīng)過(guò)標(biāo)注代碼修改后，在神威·太湖之光的編譯系統(tǒng)上可以完成編譯并運(yùn)行，經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，自動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)間為7.9 s，轉(zhuǎn)換后的C代碼811行，標(biāo)注代碼73行，手動(dòng)對(duì)標(biāo)注代碼修改后可以編譯通過(guò)并正確運(yùn)行，修改后的代碼1 301行。目前智能轉(zhuǎn)換率為60%左右。

4.2 在國(guó)產(chǎn)神威·太湖之光上的運(yùn)行結(jié)果展示

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為神威·太湖之光異構(gòu)眾核系統(tǒng)，其參數(shù)如表4所示[19]。

Table 4 Experimental environment

多核普通計(jì)算機(jī)的運(yùn)行環(huán)境如下所示：

(1)Linux架構(gòu)：x86體系結(jié)構(gòu)64位;

(2)操作系統(tǒng)版本：Ubuntu 18.04.3 LTS;

(3)CPU信息：處理器：Intel(R)Core(TM)i5-10210U CPU @ 1.6 GHz;一共8個(gè)CPU，每個(gè)CPU 4核，緩存：6 MB;

(4)PGI的編譯版本：19.10.0。

C++在多核計(jì)算機(jī)上的運(yùn)行結(jié)果如表5所示。

Table 5 Test results of BableStream on mutlicore computer

轉(zhuǎn)換后的C代碼在神威·太湖之光上的運(yùn)行結(jié)果如表6所示。

Table 6 Test results of BableStream on Sunway TaihuLight

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換后的性能數(shù)據(jù)較差，原因是由于BableStream的OpenACC版本和神威·太湖之光使用的版本存在較大差異，OpenACC的制導(dǎo)語(yǔ)句及加速代碼都是使用類(lèi)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，不涉及本文的轉(zhuǎn)換內(nèi)容。后續(xù)需要進(jìn)一步對(duì)OpenACC的制導(dǎo)語(yǔ)句進(jìn)行并行優(yōu)化。

5 結(jié)束語(yǔ)

從數(shù)量和性能綜合來(lái)看，我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的臺(tái)數(shù)比美國(guó)多一倍，但總運(yùn)算性能和美國(guó)基本相當(dāng)，說(shuō)明我國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī)的平均性能和美國(guó)相比有較大差距，這是由于在當(dāng)前超級(jí)計(jì)算機(jī)生態(tài)系統(tǒng)中，基于x86架構(gòu)的CPU生態(tài)最為完善，操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和工具最多。我國(guó)基于申威CPU的超級(jí)計(jì)算機(jī)對(duì)應(yīng)的軟件生態(tài)環(huán)境一直處于劣勢(shì)，急需加快建設(shè)速度。本文提出了一種基于國(guó)產(chǎn)眾核的C++輔助源碼智能轉(zhuǎn)換框架，基于開(kāi)源軟件ANTLR對(duì)C++語(yǔ)言進(jìn)行詞法、語(yǔ)法和語(yǔ)義分析并形成抽象語(yǔ)法樹(shù)，結(jié)合面向?qū)ο笳Z(yǔ)言的關(guān)鍵特征，完成了C++代碼自動(dòng)轉(zhuǎn)換成C代碼的架構(gòu)，建立了部分STL庫(kù)函數(shù)的預(yù)先對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換代碼和自動(dòng)標(biāo)注系統(tǒng)，加快了源碼轉(zhuǎn)換的效率。

在轉(zhuǎn)換過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了可持續(xù)優(yōu)化的方面，如針對(duì)不同C++代碼的兼容性設(shè)計(jì)，對(duì)內(nèi)存的使用需要更好地予以標(biāo)注或自動(dòng)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后函數(shù)的順序不一致導(dǎo)致出現(xiàn)編譯出錯(cuò)的問(wèn)題，C++的容器轉(zhuǎn)換通過(guò)智能方式優(yōu)化，以及OpenACC的制導(dǎo)語(yǔ)句并行優(yōu)化的智能轉(zhuǎn)換等都需要進(jìn)行持續(xù)研究和優(yōu)化。后續(xù)會(huì)持續(xù)深入研究轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定性和兼容性，以及并行優(yōu)化的智能轉(zhuǎn)換。