Algorithm 版 (精华区)

发信人: ssos (存在与虚无·戒酒戒网), 信区: Algorithm
标  题: 并 行 计 算 机 的 现 状 与 发 展 趋 势
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年11月14日12:51:36 星期三), 站内信件

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       最 近 几 年 ， 超 级 计 算 机 领 域 连 续 出 现 了 一 些 令 人 担 忧 
的 事 情 。        由 于 冷 战 结 束 ， 世 界 政 治 格 局 发 生 了 变 化 。 
于 是 ， 美 国 政 府 大 幅 度 削 减 军 费 ， 停 止 执 行“ 星 球 大 战” 计 
划 ， 这 一 切 成 为 以 上 变 故 的 直 接 原 因 。 表1 所 列 事 件 包 括 以“
 超 级 计 算 之 父”CRAY 命 名 的 、 在 超 级 计 算 机 领 域 独 领 风 骚10 多
 年 的 两 家 公 司 ， 以 及 在90 年 代 初 享 誉 超 级 计 算 机 界 的MPP 制 造
 商TMC 。 无 情 的 事 实 足 以 说 明 ， 高 性 能 计 算 机 领 域 正 经 历 着 
转 折 期 的 困 难 。        面 对 如 此 风 云 变 幻 的 形 势 ， 我 们 必 须 
冷 静 思 考 ， 认 真 分 析 。        冷 战 和 历 史 上 的 战 争 有 可 能 促 
进 技 术 的 进 步 ， 然 而 这 种 作 用 只 能 是 暂 时 的 、 局 部 的； 和 平
 与 发 展 才 是 科 学 技 术 的 春 天 。 作 为 三 大 科 学 研 究 手 段 之 一 
的 高 性 能 计 算 机 ， 其 发 展 的 根 本 动 力 来 自 于 各 类 科 学 技 术 对
 计 算 机 性 能 永 无 止 境 的 需 求 和 生 产 的 实 际 需 要 。 在1996 年 的
“SuperComputing '96” 大 会 上 ， 美 国 政 府HPCC 计 划 全 国 协 调 委 员 会
 主 席John Toole 在 题 为“ 危 机 、 创 新 与 机 会：HPCC 将 向 何 处 去” 的
 报 告 中 对 此 做 了 很 好 的 说 明 。 他 指 出 ， 高 性 能 计 算 与 通 信 
对 美 国 的 国 家 安 全 及 保 持 美 国 在 未 来 的 优 势 至 关 重 要 。 美 国
 政 府 将 在 高 端 计 算 机 与 通 信 、 大 规 模 网 络 、 高 可 信 系 统 等5
 个 方 面 制 定10 ～15 年 的 长 期 计 划 ， 保 持 长 期 持 续 性 投 资 。   
     过 去 的10 年 是 超 级 计 算 机 、 特 别 是 并 行 机 飞 速 发 展 、 走 
向 成 熟 的10 年 。10 年 中CPU 芯 片 的 性 能 翻 了 几 番 ， 计 算 机 工 作 
者 发 明 了Wormhole（ 虫 蚀 寻 径） 技 术 ， 找 到 了 更 符 合 实 际 的LogP 
并 行 计 算 模 型 ， 创 造 了 成 百 的 不 同 规 模 、 不 同 拓 扑 结 构 的 并
 行 平 台 。 特 别 是 ， 由 于 多 种 软 硬 件 技 术 的 进 步 ， 使 既 具 有 
可 扩 展 性 、 又 具 有 可 编 程 性 的 、 分 布 式 共 享 存 贮 结 构 的 并 行
 机 成 为 可 能 。        并 行 计 算 机 是 当 今 超 级 计 算 机 的 主 流 ，
 本 文 对 超 级 计 算 机(SuperComputer) 和 并 行 计 算 机(Parallel Computer)
 不 做 严 格 区 分 。 一 、 并 行 计 算 机 的 现 状： 可 扩 展 性 与 可 编 程
 性 当 今 的 并 行 计 算 机 ， 除 大 家 熟 悉 的SMP（ 共 享 存 储 多 机 系 统
） 和MPP（ 大 规 模 并 行 处 理 系 统） 外 ， 还 有 向 量 并 行 机（PVP ， 或
 称VPP） ， 以 及 工 作 站 群 集（NOW ， 或 称COW） 。 PVP 与SMP 的 主 要 不
 同 是CPU ， 后 者 是 标 准 的RISC 芯 片 ， 而 前 者 是 各 个 厂 家 自 行 研
 制 的 向 量 处 理 机 。PVP 承 袭 了 向 量 机 的 优 势 ， 技 术 成 熟 ， 效 
率 高 ， 可 将 互 连 网 络 的 路 由 器 插 入 其 中 ， 方 便 地 进 行 各 种 优
 化 组 合 设 计 。 但 是 ，PVP 的 向 量CPU 与 已 经 形 成 上 千 万 生 产 规 
模 的RISC 相 比 ， 在 规 模 效 应 和 性 价 比 上 相 差 悬 殊 。 另 外 ，RISC
 的 生 命 力 在 于 不 断 吸 收 超 级 计 算 机 领 域 的 最 新 技 术 ， 目 前 
的 目 标 之 一 就 是 增 加 向 量 处 理 的 功 能 。 果 能 如 此 ，SMP 与PVP 就
 完 全 统 一 了 。        将 工 作 站 群 集NOW 作 为 并 行 计 算 机 的 一 个
 类 别 ， 概 念 上 有 点 含 糊 。TOP 500 中 没 有NOW 这 一 类 。 当 然 ， 具
 有“ 单 一 系 统 形 象（Single System Image）” 的 工 作 站 群 集 ， 特 别 
是 同 构 的 ， 其 本 质 与MPP 没 有 差 别 。        不 同 的 并 行 计 算 机 
各 有 特 点 ， 但 它 们 也 有 区 别 于 其 它 计 算 机 的 共 性 。 其 中 最 重
 要 的 就 是 可 扩 展 性（Scalability） 和 可 编 程 性（Programmability） 这
 一 对 共 生 而 又 矛 盾 的 特 性 。 可 扩 展 性 是 并 行 计 算 机 最 大 的 
优 势 ， 可 简 单 定 义 为“ 在 确 定 的 应 用 背 景 下 ， 计 算 机 系 统 的
 性 能 要 随 处 理 机 数 的 增 加 而 线 性 增 长”（ 美 籍 并 行 处 理 专 家
 黄 铠 教 授 语） 。 可 扩 展 性 包 括 规 模 可 扩 展 、 时 间 可 扩 展 和 问
 题 可 扩 展 几 个 方 面 。 规 模 可 扩 展 的 要 点 是 均 衡 ， 均 衡 的 目 
的 是 防 止 瓶 颈 的 发 生 ，“ 三T” 表 达 了 当 今 均 衡 的 指 标 。 时 间
 可 扩 展 也 称 换 代 可 扩 展 ， 主 要 指 体 系 不 受 限 于 芯 片 、 器 件 
、 工 艺 等 。 问 题 可 扩 展 指 格 点 增 加 时 ， 系 统 能 适 应 问 题 规 模
 的 扩 大； 而 当 问 题 的 粒 度 加 大 时 ， 效 率 能 相 应 提 高 。 现 有 的
MPP ， 如Inetl 的Paragon 、IBM 的SP/2 、 国 内 的 曙 光1000 ， 一 般 认 为 是
 可 以 扩 展 的 。        可 编 程 性 是 在 并 行 机 发 展 的 过 程 中 ， 伴
 随 可 扩 展 性 而 产 生 的 新 概 念 。 并 行 计 算 机 有 共 享 与 分 布 式 
两 种 存 储 结 构 ， 所 以 操 作 系 统 进 程 间 的 通 信（IPC） 也 有 两 种 
不 同 的 机 制： 共 享 变 量 和 信 息 传 递 。 机 器 结 构 和 操 作 系 统 的
 这 些 区 别 又 影 响 到 支 撑 软 件 和 应 用 软 件 的 编 程 模 式 。 SMP 的
 程 序 设 计 仍 以 传 统 的 高 级 语 言 为 基 础 ， 系 统 提 供 自 动 并 行 
识 别 或 增 加 并 行 语 言 成 分 。 而MPP 必 须 建 立 另 一 种 编 程 环 境（
 如PVM 、MPI 等） ， 在 程 序 中 显 式 地 写 出 信 息 的 发 送 和 接 收 。 这
 不 仅 导 致 应 用 软 件 编 写 困 难 ， 还 给 广 大 用 户 增 加 了 很 多 负 
担 。 为 此 ， 创 建 了 一 个 新 的 单 词Programmability ， 用 以 描 述 并 行
 计 算 机 的 这 一 重 要 特 点 。        总 之 ， 从 存 储 和 编 程 模 式 看
 ， 并 行 机 可 分 为SMP 与MPP 两 类 。SMP 具 备 可 编 程 性 ， 不 易 扩 展；
MPP 具 有 可 扩 展 性 ， 不 易 编 程 。 如 何 将 两 者 的 优 点 融 合 在 同 
一 并 行 结 构 中 ， 一 直 是 困 扰 超 级 计 算 机 研 制 者 的 难 题 。 二 、
 简 要 的 历 史 回 顾 历 史 是 现 实 的 镜 子 ， 总 结 过 去 对 预 测 超 级 
计 算 机 的 发 展 趋 势 非 常 有 益 。        一 般 将CRAY-1 投 入 运 行 的1
976 年 称 为“ 超 级 计 算 元 年” 。 然 而 ， 早 在1972 年 就 已 研 制 成 功
 的 超 级 计 算 机ILLIAC-IV ， 是 现 今MPP 无 可 争 议 的 先 辈 。 什 么 是 
超 级 计 算 机 的 发 展 方 向 ， 是 以CRAY-1 为 代 表 的 向 量 机 ， 还 是 以
ILLIAC-IV 为 代 表 的 并 行 机 ， 这 是70 年 代 计 算 机 界 的 热 门 话 题 。
 这 两 种 机 器 各 有 长 短 ，ILLIAC-IV 具 有 可 扩 展 性 ， 一 个 象 限64 个
 处 理 单 元 ， 原 设 计 为4 个 象 限 ， 可 扩 展 到256 个 单 元 ， 但 它 在
 编 程 模 式 上 与 传 统 的 大 型 机 相 差 太 大 。CRAY-1 正 好 相 反 ， 编 
程 模 式 可 基 于FORTRAN IV 。 这 是 超 级 计 算 机 历 史 上 第 一 次 有 关 
可 扩 展 性 与 可 编 程 性 的 较 量 ， 最 后 以 向 量 机 的 胜 利 而 告 终 。
 从 此 ， 并 行 计 算 机 沉 寂 多 年 ， 而 以CRAY 为 代 表 的 向 量 机 则 称
 雄 超 级 计 算 机 界 十 几 载 。        80 年 代 初 ， 刮 起 了 一 股 小 巨
 型 机（miniSuperComputer） 的 风 暴 。 几 十 个 小 巨 型 机 厂 家 如 雨 后 
春 笋 般 冒 了 出 来 ， 机 器 结 构 五 花 八 门 ， 大 体 上 也 可 分 为 向 量
 机 和 并 行 机 两 大 类 。 这 是 超 级 计 算 技 术 从 高 科 技 领 域 走 向 
民 用 的 一 次 重 大 尝 试 ， 所 以 小 巨 型 机 又 被 称 为 普 及 性 巨 型 机
 。 经 过 几 年 的 较 量 ， 大 批 厂 家 偃 旗 息 鼓 ， 而Convex 的C 系 列 却
 一 支 独 秀 。 这 无 异 于70 年 代CRAY 战 胜ILLIAC-IV 的 重 演 。        到
80 年 代 后 期 ， 向 量 机 的 造 价 越 来 越 高 ， 而 性 能 提 高 却 越 来 越
 难 。CRAY-3 的 时 钟 周 期 为 2ns ，CRAY-4 为1ns 。 在 这 种 形 势 下 ， 人
 们 又 重 操 旧 业 ， 并 行 计 算 机 再 一 次 红 红 火 火 地 搞 了 起 来 。 
在1990 年 的 超 级 计 算 机 大 会 上 ，Hillis 博 士 公 开 宣 称：“ 传 统 的
 巨 型 机（ 向 量 巨 型 机）5 年 内 将 被 淘 汰” ， 在 当 时 引 起 了 一 番
 争 论 。 今 天 看 来 ，Hillis 博 士 的 看 法 基 本 正 确 。 然 而 ， 并 行 
机 对 向 量 机 的 胜 利 ， 并 不 等 于 可 扩 展 性 对 可 编 程 性 的 胜 利 。
90 年 代 初 ， 当 各 种 并 行 机 百 花 争 艳 ， 令 人 们 眼 花 缭 乱 之 时 ，
 杀 出 了 一 匹“ 黑 马” ， 即SGI 公 司 。 在1995 年11 月 公 布 的TOP 500 中
 ， 它 独 占125 台 ， 跃 居 众 家 之 首 。 其 优 势 之 一 是 具 有 共 享 存 
储 的SMP 结 构 ， 因 而 具 有 可 编 程 性 。        从 以 上 列 举 的 三 个 
典 型 史 实 看 ， 在 超 级 计 算 机 发 展 的 前20 年 间 ， 基 本 遵 循 这 样
 一 个 规 律： 当 可 扩 展 性 与 可 编 程 性 不 能 相 容 时 ， 人 们 总 是 选
 择 可 编 程 性 ， 而 舍 弃 或 适 当 考 虑 可 扩 展 性 。 然 而 ， 这 毕 竟 
只 是 一 种 权 宜 之 计 。 最 近 几 年 ， 超 级 计 算 应 用 领 域 对 计 算 机
 性 能 的 需 求 飞 速 增 长 ， 不 仅 向 量 机 不 能 担 此 重 任 ，SMP 和PVP 
也 已 力 不 从 心 。 在1996 年11 月 公 布 的TOP 500 中 ，MPP 仍 呈 上 升 趋 
势 ， 而SMP 出 现 了 转 折 ， 呈 下 滑 之 态 。 并 行 计 算 机 向 何 处 去 ？
 难 道 人 们 只 能 反 过 来 舍 弃 可 编 程 性 ， 才 能 获 得 可 扩 展 性 吗 
？ 当 然 不 是 。 美 籍 并 行 处 理 专 家 黄 铠 教 授 早 在1993 年 就 指 出：
“ 并 行 处 理 的 发 展 趋 势 是 用 分 布 式 共 享 存 储 结 构（Distributed 
Shared Memory ，DSM） 和 标 准Unix 来 构 造 可 扩 展 超 级 计 算 机 。” 即 
并 行 计 算 机 发 展 的 趋 势 既 不 是SMP ， 也 不 是MPP ， 而 是 两 者 优 势
 互 补 的DSM 。 三 、 分 布 式 共 享 存 储 结 构 ─ ─ 市 场 选 择 的 必 然 
结 果 超 级 计 算 机 必 须 具 有 很 好 的 可 扩 展 性 ， 这 一 点 已 成 定 论
 。 然 而 ， 这 并 不 意 味 着 可 以 不 考 虑 或 少 考 虑 可 编 程 性 。 如 
前 所 述 ， 在 超 级 计 算 机 的 发 展 史 中 ， 总 是 首 先 满 足 可 编 程 性
 。 这 里 有 一 种 无 形 的 、 然 而 却 是 决 定 性 的 力 量 在 起 作 用 ， 
这 就 是 市 场 ！ 大 部 分 超 级 计 算 机 的 用 户 所 要 求 的 不 仅 仅 是 高
 的 性 能 ， 更 重 要 的 是 高 的 性 价 比 。        超 级 计 算 机 要 有 可
 编 程 性 ， 似 乎 是 为 了 迎 合 用 户 编 程 的 习 惯 ， 实 质 是 为 了 获 
得 高 的 性 价 比 。 一 般 说 来 ， 超 级 计 算 机 系 统 可 分 为 两 大 部 分
 ， 一 部 分 是 包 括 硬 件 和 系 统 软 件 的 平 台 ， 另 一 部 分 是 应 用 
软 件 。 对 不 具 有 可 编 程 性 的 超 级 计 算 机 ， 即 使 平 台 有 较 高 的
 性 价 比 ， 但 却 大 大 增 加 了 移 植 原 有 应 用 软 件 的 难 度 和 开 发 
新 的 应 用 软 件 的 成 本 ， 从 而 导 致 整 个 系 统 的 性 价 比 大 幅 度 下
 降 。 这 种 例 子 很 多 。 例 如 ， 由Tensor 软 件 公 司 与Intel 通 力 合 作
 ， 在Intel 的ipsc 上 开 发 并 行 石 油 地 震 资 料 处 理 应 用 软 件 ， 用 
了4 年 多 的 时 间 才 完 成 了 一 个 应 用 系 统 。 相 应 地 ， 中 科 院 计 
算 所 与 石 油 天 然 气 总 公 司 合 作 ， 将 地 震 资 料 处 理 软 件GRISYS 在
SGI Power Challenge 上 并 行 化 ， 仅 用 了8 个 人4 个 月 ， 目 前 该 系 统 
在 兰 州 正 常 运 行 。 还 有 一 个 突 出 的 例 子 是CM-5 。        据TMC 自
 己 介 绍 ， 他 们 有1/3 的 技 术 人 员 必 须 常 驻 用 户 单 位 ， 与 用 户 
一 起 移 殖 、 开 发 应 用 软 件 ， 指 导 用 户 使 用 并 行 机 。 正 因 为 并
 行 机 需 要 如 此 巨 大 的 附 加 成 本 ， 所 以 被 市 场 无 情 淘 汰 也 就 
不 足 为 怪 了 。        如 果 过 去 市 场 的 作 用 在 超 级 计 算 领 域 还 
不 很 明 显 的 话 ， 那 么 随 着 世 界 政 治 格 局 的 变 化 ， 这 一 问 题 已
 变 得 非 常 明 确 。 今 天 ， 并 行 机 已 突 破 狭 窄 的 应 用 范 围 ， 走 
向 包 括 事 务 处 理 在 内 的 广 阔 市 场 。        1996 年 ，SGI 并 购CRAY 
时IDC 评 论 认 为 ， 这 次 并 购“ 意 味 着 巨 型 机 厂 家 与 少 数 几 个 客
 户 携 手 生 产 少 量 专 门 化 、 高 价 格 产 品 的 时 代 已 经 结 束” ，“
 就 目 前 市 场 来 说 ， 厂 家 必 须 把 这 类 高 档 系 统 作 为 一 种 更 普 
通 化 的 产 品 提 供 给 用 户” 。 这 就 是 说 ， 超 级 计 算 机 一 味 依 赖
 于 政 府 和 军 方 的 支 持 、 不 计 成 本 、 只 求 性 能 的 时 代 已 经 过 
去 。 从 世 界 范 围 看 ， 超 级 计 算 机 行 业 也 由“ 计 划 经 济” 走 向 
了 市 场 。        超 级 计 算 机 应 有 好 的 性 价 比 ， 这 已 被 很 多 超 
级 计 算 机 用 户 所 认 识 。NASA 在1996 年11 月 发 表 的NPB 测 试 报 告 中 
， 列 出 了 多 种 平 台 每 百 万 美 元 的 持 续 性 能 。 报 告 认 为 ， 这 些
 机 器 的 性 能 相 差 不 大 ， 但 性 价 比 却 相 去 甚 远 。        因 此 ，
 可 编 程 性 与 可 扩 展 性 同 样 是 今 后 超 级 计 算 机 必 不 可 少 的 重 
要 性 能 。 这 是 作 为“ 上 帝” 的 广 大 用 户 的 意 志 ， 是 市 场 选 择 
的 必 然 结 果 。 四 、 分 布 式 共 享 存 储 结 构 — ─ 技 术 发 展 的 趋 势
 市 场 需 要 既 有 可 扩 展 性 ， 又 有 可 编 程 性 的 超 级 计 算 机 。 但 
需 要 不 等 于 现 实 。 要 在 分 布 式 环 境 下 实 现 存 储 逻 辑 共 享 ， 是
 一 个 相 当 困 难 和 复 杂 的 问 题 。 众 所 周 知 ， 现 今 的 计 算 机 存 
储 器 速 度 远 远 落 后 于CPU ， 这 是 一 个 长 期 得 不 到 很 好 解 决 的 严
 重 瓶 颈 。 而 在 分 布 式 共 享 存 储 并 行 机 中 ， 一 个CPU 存 取 远 程 
节 点 上 的 存 储 单 元 要 像 存 取 本 地 单 元 一 样 ， 不 仅 方 便 而 且 具
 有 令 人 满 意 的 效 率 ， 这 使 问 题 难 上 加 难 。        按 照 并 行 计
 算 模 型LogP 的 观 点 ， 这 里 主 要 有 三 个 因 素： 发 送 与 接 收 端 的 
开 销（o） ， 带 宽（ 倒 数g） 和 时 延（L） 。 并 行 系 统 规 模 扩 展 时 ，
 节 点 增 加 ， 数 据 传 送 的 路 径 变 长 。 为 此 ， 人 们 用 硬 件 实 现 
了Wormhole（ 虫 蚀 寻 径） 技 术 ， 把 数 据 包 分 割 为 更 小 的 片（ 或 叫
 微 包） ， 采 用 异 步 流 水 的 办 法 ， 使 时 延 几 乎 与 经 过 的 节 点 数
 无 关 。 随 着 路 上 时 延 的 大 幅 度 减 小 ， 发 送 与 接 收 的 开 销 更 
为 突 出 。 人 们 将 进 程 破 分 为 线 程（thread） ， 使 两 端 的 开 销 减 
少 了 两 个 数 量 级 。 在 这 些 关 键 技 术 取 得 重 大 突 破 的 基 础 上 ，
 一 些 研 究 部 门 在 企 业 的 支 持 下 ， 设 计 了 各 具 特 色 的 实 验 型 
样 机 。 斯 坦 福 大 学 的DASH 系 统 就 是 一 个 范 例 。DASH 小 组 从1988 年
 开 始 工 作 ， 节 点 由SGI 的4D/340（4CPU） 构 成 ， 增 加 了 支 持 目 录 存
 储 器 与 群 间 接 口 的 新 板 卡 ， 对 多 种 时 延 隐 藏 技 术 进 行 了 大 
量 的 研 究 实 验 。 其 中 包 括 预 取 技 术（Prefetching Technique） 、 硬 
件 支 持 的 一 致 性 高 速 缓 存(Coherent Cache) 、 非 严 格 的 存 储 一 致 
性（Relaxed Memory Consistency） ， 以 及 多 现 场 切 换 技 术（Mulitiple Co
ntext） 等 。 他 们 的 工 作 证 明 ， 这 些 时 延 隐 藏 技 术 是 富 有 成 效
 的 ， 尤 以 预 取 、 多 现 场 切 换 为 佳； 多 种 技 术 综 合 利 用 ， 效 果
 更 为 突 出； 软 硬 结 合 ， 各 尽 其 能 ， 是 实 现 分 布 式 共 享 存 储 器
 的 最 佳 途 径 。        超 级 计 算 机 领 域 技 术 上 的 突 破 和 丰 富 的
 成 果 ， 使DSM 并 行 机 产 品 水 到 渠 成 。 人 们20 多 年 的 期 待 终 于 变
 成 了 现 实 ， 一 些 既 具 有 可 扩 展 性 、 又 具 有 可 编 程 性 的 分 布 
式 共 享 存 储 并 行 机 相 继 面 世 ， 如Sequent 的NUMA-Q 、HP(convex) 的SPP
 等 。SGI 去 年 发 布 的origin 系 列 ， 是 一 个 典 型 的DSM 结 构 的 产 品 
， 称 为S2MP(Scalable share-memory Multiprocessing) ， 是SGI SMP 的 成 功 经
 验 、DASH 的 研 究 结 果 、 以 及CRAY 先 进 技 术 的 共 同 结 晶 。        
超 级 计 算 机 已 走 过 了 整 整20 年 ， 这 是 一 段 可 扩 展 性 与 可 编 程
 性 这 一 对 矛 盾 相 互 作 用 直 至 统 一 的 历 史 。 市 场 需 求 是 发 展 
的 动 力 ， 技 术 进 步 是 发 展 的 条 件 。 有 专 家 估 计 ， 从 现 在 起 直
 到 21 世 纪 若 干 年 ，DSM 结 构 将 是 超 级 计 算 机 的 主 流 ， 将 稳 固 
地 占 领 超 级 计 算 机 的 主 要 市 场 。（ 本 文 是 作 者 根 据 在 中 国 计
 算 机 学 会“ 当 代 计 算 机 体 系 结 构 、 操 作 系 统 的 发 展” 学 术 研
 讨 会 上 的 报 告 修 改 而 成） 
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<<社会契约论>>是一本好书,应当多读几遍
风味的肘子味道不错,我还想再吃它      

※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.230.220]