第四章学习笔记

第四章学习笔记

第四章 并发编程

• 本章论述了并发编程，介绍了并行计算的概念，并指出了并行计算的重要性；比较了顺序算法与并行算法，以及并行性与并发性；解释了线程的原理及其相对于进程的优势；介绍了Pthread中的线程操作，包括线程管理函数，互斥量、连接、条件变量和屏障等线程同步工具；解释了死锁问题，并说明了如何防止并发程序中的死锁问题；讨论了信号量，并论证了它们相对于条件变量的优点；还解释了支持Linux中线程的独特方式，让我们更加深入地了解多任务处理、线程同步和并发编程的原理及方法。

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。

1. 顺序算法与并行算法

• 顺序算法

  begin
    step_1
    step_2
    ···
    step_n
  end

• 并行算法

 cobegin
    task_1
    task_2
    ···
    task_n
  coend

• 顺序算法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，并行算法使用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。

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，真正的并行执行只能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—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。

2.线程

1. 线程的原理

• 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。

2. 线程的优点

• （1）线程创建和切换速度更快
• （2）线程的响应速度更快
• （3）线程更适合并行计算

3. 线程的缺点

• （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。

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。线程是独立的执行单元，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。

4.进程管理函数

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);

• 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，pthread_t类型被定义为无符号长整型，因此线程ID可以打印为%lu。
• 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。
• func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)
• attr参数
  • (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。

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 t1, pthread_t t2);

如果是不同的线程，则返回0，否则返回非0。
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. 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。

5.实践

• 用线程快速排序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
typedef struct{
	int upperbound;
	int lowerbound;
}PARM;
#define N 10
int a[N]={5,1,6,4,7,2,9,8,0,3};
int print(){//print current a[] contents
	int i;
	printf("[");
	for(i=0;i<N;i++)
		printf("%d ",a[i]);
	printf("]
");
}
void *Qsort(void *aptr){
	PARM *ap, aleft, aright;
	int pivot, pivotIndex,left, right,temp;
	int upperbound,lowerbound;
	pthread_t me,leftThread,rightThread;
	me = pthread_self();
	ap =(PARM *)aptr;
	upperbound = ap->upperbound;
	lowerbound = ap->lowerbound;
	pivot = a[upperbound];//pick low pivot value
	left = lowerbound - 1;//scan index from left side
	right = upperbound;//scan index from right side
	if(lowerbound >= upperbound)
		pthread_exit (NULL);
	while(left < right){//partition loop
		do{left++;} while (a[left] < pivot);
		do{right--;}while(a[right]>pivot);
		if (left < right ) {
			temp = a[left];a[left]=a[right];a[right] = temp;
		}
	}
	print();
	pivotIndex = left;//put pivot back
	temp = a[pivotIndex] ;
	a[pivotIndex] = pivot;
	a[upperbound] = temp;
	//start the "recursive threads"
	aleft.upperbound = pivotIndex - 1;
	aleft.lowerbound = lowerbound;
	aright.upperbound = upperbound;
	aright.lowerbound = pivotIndex + 1;
	printf("%lu: create left and right threadsln", me) ;
	pthread_create(&leftThread,NULL,Qsort,(void * )&aleft);
	pthread_create(&rightThread,NULL,Qsort,(void *)&aright);
	//wait for left and right threads to finish
	pthread_join(leftThread,NULL);
	pthread_join(rightThread, NULL);
	printf("%lu: joined with left & right threads
",me);
}
	int main(int argc, char *argv[]){
	PARM arg;
	int i, *array;
	pthread_t me,thread;
	me = pthread_self( );
	printf("main %lu: unsorted array = ", me);
	print( ) ;
	arg.upperbound = N-1;
	arg. lowerbound = 0 ;
	printf("main %lu create a thread to do QS
" , me);
	pthread_create(&thread,NULL,Qsort,(void * ) &arg);//wait for Qs thread to finish
	pthread_join(thread,NULL);
	printf ("main %lu sorted array = ", me);
	print () ;
}