第4章 并发编程
4.1 并行计算导论
在早期，大多数计算机只有一个处理组件，称为处理器或中央处理器（CPU）。受这种硬件条件的限制，计算机程序通常是为串行计算编写的。要求解某个问题，先要设计一种算法，描述如何一步步地解决问题，然后用计算机程序以串行指令流的形式实现该算法。在只有一个CPU的情况下，每次只能按顺序执行某算法的一个指令和步骤。但是，基于分治原则（如二叉树查找和快速排序等）的算法经常表现出高度的并行性，可通过使用并行或并发执行来提高计算速度。并行计算是一种计算方案，它尝试使用多个执行并行算法的处理器更快速地解决问题。过去，由于并行计算对计算资源的大量需求，普通程序员很少能进行并行计算近年来，随着多核处理器的出现，大多数操作系统（如Linux）都支持对称多处理（SMP）。甚至对于普通程序员来说，并行计算也已经成为现实。显然，计算的未来发展方向 是并行计算-因此，迫切需要在计算机科学和计算机工程专业学生的早期学习阶段引入并行 计算。在本章中，我们将介绍通过并发编程实现并行计算的基本概念和方法。
4.1.1 顺序算法与并行算法
在描述顺序算法时，常用的方法是用一个begin-end代码块列出算法，如下图左侧所示。
begin-end代码块中的顺序算法可能包含多个步骤。所有步骤都是通过单个任务依次执行的， 每次执行一个步骤。当所有步骤执行完成时，算法结束。相反，图的右侧为并行算法的描述，它使用cobegin-coend代码块来指定并行算法的独立任务。在cobegin-coend块中.所有任务都是并行执行的，紧接着cobegin-coend代码块的下一个步骤将只在所有这些任务完成之后执行。
4.1.2 并行性与并发性
通常，并行算法只识别可并行执行的任务，但是它没有规定如何将任务映射到处理组件。在理想情况下，并行算法中的所有任务都应该同时实时执行。然而，真正的并行执行只曲在有多个处理组件的系统中实现，比如多处理器或多核系统。在单CPU系统中，一次只能执行一个任务。在这种情况下，不同的任务只能并发执行，即在逻辑上并行执行。在单CPU系统中，并发性是通过多任务处理来实现的，该内容已在第3章中讨论过。在本章的最后，我们将在一个编程项目中再次讲解和示范多任务处理的原理和方法。
4.2 线程
4.2.1 线程的原理
一个操作系统(OS)包含许多并发进程“在进程模型中，进程是独立的执行单元。所有进程均在内核模式或用户模式下执行。在内核模式下，各进程在唯一地址空间上执行，与其他进程是分开的。虽然每个进程都是一个独立的单元，但是它只有一个执行路径。当某进程必须等待某事件时，例如I/O完成事件，它就会暂停，整个进程会停止执行匸线程是某进程同一地址空间上的独立执行单元。创建某个进程就是在一个唯一地址空间创建一个主线程。当某进程开始时，就会执行该进程的主线程。如果只有一个主线程，那么进程和线程实际上并没有区别。但是，主线程可能会创建其他线程。每个线程又可以创建更多的线程等。某进程的所有线程都在该进程的相同地址空间中执行，但每个线程都是一个独立的执行单元。在线程模型中，如果一个线程被挂起，其他线程可以继续执行。除了共享共同的地址空间之外.线程还共享进程的许多其他资源，如用户id、打开的文件描述符和信号等。打个简单的比方，进程是一个有房屋管理员(主线程)的房子，线程是住在进程房子里的人。房子里的每个人都可以独立做自己的事情，但是他们会共用一些公用设施，比如同一个信箱、厨房和浴室等。过去，大多数计算机供应商都是在自己的专有操作系统中支持线程。不同系统之间的实现有极大的区别。目前，几乎所有的操作系统都支持Pthread,它是IEEE POSIX 1003.1c的线程标准(POS1X 1995)o如需了解更多信息，读者可査阅更多关于Pthread编程的书籍(Buttlar等1996)和在线文章(Pthreads 2017 )。
4.2.2 线程的优点
与进程相比，线程有许多优点。 **(1)线程创建和切换速度更快：**进程的上下文复杂而庞大。其复杂性主要来自管理进程映像的需要。例如，在具有虚拟内存的系统中.进程映像可能由叫作页面的许多内存单元组成。在执行过程中.有些页面在内存中，有些则不在内存中。操作系统内核必须使用多个页表和多个级别的硬件辅助来跟踪每个进程的页面-要想创建新的进程，操作系统必须为进 程分配内存并构建页表。若要在某个进程中创建线程，操作系统不必为新的线程分配内存和创建页表，因为线程与进程共用同一个地址空间。所以，创建线程比创建进程更快。另外.由于以下原因，线程切换比进程切换更快。进程切换涉及将一个进程的复杂分贞环境替换为另一个进程的复杂分页环境，需要大量的操作和时间。相比之下，同一个进程中的线程切换要简单得多、也快得多，因为操作系统内核只需要切换执行点，而不需要更改进程映像。 **(2)线程的响应速度更快：**一个进程只有一个执行路径。当某个进程被挂起时，整个进程都将停止执行。.相反，当某个线程被挂起时，同进程中的其他线程可以继续执行。这使得有多个线程的程序响应速度更快.例如，在一个多线程的进程中，当一个线程被阻塞以等待I/O时，其他线程仍可在后台进行计算。在有线程的服务器中，服务器可同时服务多个客户机。 (3)线程更适合并行计算：并行计算的目标是使用多个执行路径更快地解决问题。基于分治原则(如二叉树查找和快速排序等)的算法经常表现出高度的并行性，可通过使用并行或并发执行来提高计算速度。这种算法通常要求执行实体共享公用数据。在进程模型中，各进程不能有效共享数据，因为它们的地址空间都不一样。为了解决这个问题，进程必须使用进程间通信(IPC)来交换数据或使用其他方法将公用数据区包含到其地址空间中。相反，同一进程中的所有线程共享同一地址空间中的所有(全局)数据。因此，使用线程编写并行执行的程序比使用进程编写更简单、更自然。
4.2.3 线程的缺点
另一方面，线程也有一些缺点，其中包括： (1)由于地址空间共享，线程需要来自用户的明确同步。 (2)许多库函数可能对线程不安全，例如传统strtok()函数将一个字符串分成一连串令牌。通常，任何使用全局变量或依赖于静态内存内容的函数.线程都不安全。为了使库函数适应线程环境，还需要做大量的工作。 (3)在单CPU系统上，使用线程解决问题实际上要比使用顺序程序慢，这是由在运行时创建线程和切换上下文的系统开销造成的。
4.3 线程操作
线程的执行轨迹与进程类似。线程可在内核模式或用户模式下执行在用户模式下,线程在进程的相同地址空间中执行，但每个线程都有自己的执行堆栈。线程是独立的执行単元，可根据操作系统内核的调度策略，对内核进行系统调用，变为挂起、激活以继续执行等。为了利用线程的共享地址空间，操作系统内核的调度策略可能会优先选择同-进程中的线程，而不是不同进程中的线程。截至目前，几乎所有的操作系统都支持POSIX Pthread, 定义了一系列标准应用程序编程接口(API)来支持线程编程。下面，我们将讨论和演示 Linux 中的 Pthread 并发编程(Goldt 等 1995 : IBM ； Love 2005 ； Linux Man Page Progect 2017 )。
4.4 线程管理函数
Pthread库提供了用于线程管理的以下API。
pthread_create(thread, attr, function, arg): create thread
pthread_exit(status) : terminate thread
pthread_cancel(thread) : cancel thread
pthread_attr_init(attr) : initialize thread attributes
pthread_attr_destroy(attr): destroy thread attribute
4.4.1 创建线程
使用pthread_create()函数创建线程。
int pthread_create (pthread_t *pthread_id, pthread_attr_t *attr, void *(*func)(void *), void *arg);
如果成功则返回0,如果失败则返回错误代码。pthread_create()函数的参数为
- pthread_id是指向pthread_t类型变量的指针。它会被操作系统内核分配的唯一线程ID填充。在POSIX中，pthread_t是一种不透明的类型。程序员应该不知道不透明对象的内容，因为它可能取决于实现情况。线程可通过pthread_self()函数获得自己的ID。在Linux中，pthreadj类型被定义为无符号长整型，因此线程1D可以打印为％111。
- attr是指向另一种不透明数据类型的指针，它指定线程属性，下面将对此进行更详细的说明。
- fimc是要执行的新线程函数的入口地址。
- arg是指向线程函数参数的指针，可写为：
void *func(void *arg)
其中，attr参数最复杂。下面给出了attr参数的使用步骤。 (1)定义一个pthread属性变量pthread_attr_t attr,, (2)用pthread_attr_init(&attr)初始化属性变量。 (3)设置属性变量并在pthread_create()调用中使用。 (4)必要时，通过pthread_attr_destroy(&attr)释放attr资源。 下面列出了使用属性参数的一些示例。每个线程在创建时都默认可与其他线程连接。必要时，可使用分离属性创建一个线程，使它不能与其他线程连接。下面的代码段显示了如何创建一个分离线程。
pthread_attr_t attr； // define an attr variable
pthread_attr_init(&attr)； // initialize attr
pthread_attr_setdetachstate(&attr, PTHREAD_CREATE_DETACHED); // set attr pthread_create(&thread_idz func, NULL)； // create thread with attr
pthread_attr_destroy; // optional: destroy attr
每个线程都使用默认堆栈的大小来创建。在执行过程中，线程可通过函数找到它的堆栈大小：
size_t pthread_attr_getstacksize()
它可以返回默认的堆栈大小。下面的代码段显示了如何创建具有特定堆栈大小的线程。
pthread_attr_t attr; // attr variable
size_t stacksize; // stack size
pthread_attr_init(&attr); // initialize attr
stacksize = 0x10000; // stacksize=16KB;
pthread_attr_setstacksize(ftattr, stacksize); // set stack size in attr
pthread_create(&threads[t], &attr, func, NULL)； // create thread with stack size
如果attr参数为NULL,将使用默认属性创建线程。实际上，这是创建线程的建议方法，除非有必要更改线程属性，否则应该遵循这种方法。接下来，我们将attr设置为NULL,就可始终使用默认属性。
4.4.2 线程ID
线程ID是一种不透明的数据类型，取决于实现情况。因此，不应该直接比较线程ID。如果需要，可以使用pthread_equal()函数对它们进行比较。
int pthread_equal (pthread_t tl, pthread_t t2);
如果是不同的线程，则返回0,否则返回非0。
4.4.3 线程终止
线程函数结束后，线程即终止。或者，线程可以调用函数
int pthread_exit (void *status);
进行显式终止，其中状态是线程的退出状态。通常，0退出值表示正常终止，非0值表示异常终止。
4.4.4 线程连接
一个线程可以等待另一个线程的终止，通过：
int pthread_join (pthread_t thread, void **status_ptr);
终止线程的退出状态以status_ptr返回。
4.6线程同步
由于线程在进程的同一地址空间中执行，它们共享同一地址空间中的所有全局变量和数 据结构。当多个线程试图修改同一共享变量或数据结构时，如果修改结果取决于线程的执行 顺序，则称之为竞态条件。在并发程序中，绝不能有竞态条件。否则，结果可能不一致。除 了连接操作之外，并发执行的线程通常需要相互协作。为了防止出现竞态条件并且支持线程 协作，线程需要同步。通常，同步是一种机制和规则，用于确保共享数据对象的完整性和并 发执行实体的协调性。它可以应用于内核模式下的进程，也可以应用于用户模式下的线程。 下面，我们将讨论Pthread中线程同步的具体问题。