第四章：并发编程

第四章：并发编程

4.1：并行计算的简介
在早期，大多数计算机只有一个处理器（CPU），称为中央处理器。受硬件限制的影响，计算机程序通常是为串行计算而设计的。为了解决问题，需要设计算法并在计算机上以串行指令流的形式实现它。然而，很多算法具有高度的并行性，即可以同时执行多个任务。为了利用并行计算加快速度，需要使用多个处理器来实现并行计算。随着多核处理器的出现，使得普通程序员也能够进行并行计算。可以说，并行计算是计算的未来发展方向。

4.1.1：顺序算法与并行算法
顺序算法可以包含多个步骤，每个步骤都是通过单个任务按顺序执行的。当所有步骤执行完毕时，算法结束。而并行算法使用cobegin-coend代码块来指定并行算法中的独立任务。这些任务将并行执行，而cobegin-coend代码块之后的下一个步骤将在所有任务完成后执行。

4.1.2：并行性与并发性
并行算法通常只识别可以并行执行的任务，但并不规定如何将任务映射到处理器上。在理想情况下，所有任务应该同时实时执行，但这需要多个处理器，如多处理器或多核系统。在单个CPU系统中，只能并发执行任务，即逻辑上的并行执行。在单CPU系统中，通过多任务处理来实现并发性。

4.2：线程
4.2.1：线程的原理
操作系统包含多个并发进程，每个进程是一个独立的执行单元，可以在内核模式或用户模式下执行。线程是进程中的独立执行单元，多个线程可以在同一地址空间中执行。一个进程创建后会有一个主线程，可以创建其他线程。每个线程也可以创建更多的线程。线程拥有独立的执行堆栈。在线程模型中，一个线程被挂起时，其他线程可以继续执行。除了共享地址空间，线程还共享进程的其他资源，如用户id、打开的文件描述符和信号。可以将进程比作有房屋管理员（主线程）的房屋，线程则是住在房屋中的人。每个人可以独立地做自己的事情，但他们会共享一些公共设施，如信箱、厨房和浴室。现在，大多数操作系统都支持线程。

4.2.2：线程的优点
使用线程创建和切换速度更快。创建线程时，操作系统不需要分配额外的内存或创建页表，因为线程共享进程的地址空间。因此，创建线程比创建进程更快。
线程的响应速度更快。在一个进程中，当一个线程被挂起时，其他线程可以继续执行。而在进程中，当一个进程被挂起时，整个进程都会停止执行。
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。基于分治原则的算法经常表现出高度的并行性，通过使用并行或并发执行可以提高计算速度。

4.2.3：线程的缺点
由于线程共享地址空间，需要进行明确的同步来避免竞争条件。这意味着在多线程环境下，需要更加小心地管理共享的数据和资源，否则会出现问题。
许多库函数不是线程安全的，需要进行额外的工作来适应多线程环境。
在单个CPU系统上，使用线程解决问题实际上会比使用顺序程序慢，因为线程创建和切换的开销较大。

4.3：线程操作
线程可以在内核模式或用户模式下执行。在用户模式下，线程共享进程的地址空间，但每个线程拥有独立的执行堆栈。线程是独立的执行单元，可以通过系统调用进行挂起、激活等操作。

4.4：线程管理函数
4.4.1：创建线程
通过pthread_create()函数创建线程：
int pthread_create(pthread_t *pthread_id, pthread_attr_t *attr, void *(*func)(void *), void *arg);
成功时返回0，失败时返回错误代码。函数参数解释如下：

• pthread_id：指向pthread_t类型变量的指针，用于存储线程的ID。
• attr：指向线程属性的指针，可以为NULL表示使用默认属性。
• func：要执行的新线程的入口地址。
• arg：指向线程函数参数的指针。

4.4.2：线程ID
线程ID是一个不透明的数据类型，取决于具体实现。因此，不应直接比较线程ID，可以使用pthread_equal()函数进行比较：
int pthread_equal(pthread_t tl, pthread_t t2);

4.4.3：线程终止
当线程函数结束时，线程即终止。也可以使用pthread_exit()函数显式终止线程，其中状态是线程的退出状态。通常，0表示正常终止，非0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，使用pthread_join()函数进行连接，并通过status_ptr返回线程的退出状态。

4.5：线程示例程序
下面是一个计算N×N整数矩阵中所有元素之和的示例程序：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#define N 4

int A[N][N], sum[N];

void *func(void *arg) {
int j, row;
pthread_t tid = pthread_self();
row = (int)arg;
printf(“Thread %d [%lu] computes sum of row %d\n”, row, tid, row);
for (j = 0; j < N; j++) {
sum[row] += A[row][j];
}
printf(“Thread %d [%lu] done: sum[%d] = %d\n”, row, tid, row, sum[row]);
pthread_exit((void *)0);
}

int main(int argc, char *argv[]) {
pthread_t thread[N];
int i, j, r, total = 0;
void *status;

printf("Main: initialize A matrix\n");
for (i = 0; i < N; i++) {
    sum[i] = 0;
    for (j = 0; j < N; j++) {
        A[i][j] = i * N + j + 1;
        printf("%4d", A[i][j]);
    }
    printf("\n");
}

printf("Main: create %d threads\n", N);
for (i = 0; i < N; i++) {
    pthread_create(&thread[i], NULL, func, (void *)i);
}

printf("Main: try to join with threads\n");
for (i = 0; i < N; i++) {
    pthread_join(thread[i], &status);
    printf("Main: joined with %d [%lu]: status = %d\n", i, thread[i], (int)status);
}

printf("Main: compute and print total sum: ");
for (i = 0; i < N; i++) {
    total += sum[i];
}
printf("total = %d\n", total);

pthread_exit(NULL);

}

4.6：线程同步
在并发程序中，多个线程共享资源时，需要确保共享数据的完整性和线程的协调性。为了防止竞争条件和支持线程协作，需要线程同步机制。互斥量（锁）、条件变量、信号量和屏障都是常用的线程同步机制。

4.6.1：互斥量
互斥量是一种线程同步的机制，它可以用来保护共享资源，只允许一个线程访问该资源。在Pthreads中，可以通过静态方式或动态方式创建互斥量。

4.6.2：死锁预防
死锁是一种状态，在该状态下，多个执行实体相互等待，无法继续下去。为了防止死锁的发生，可以使用死锁预防方法，在设计并行算法时避免可能的死锁情况。

4.6.3：条件变量
条件变量是一种线程同步的机制，用于线程之间的协作。在Pthreads中，使用pthread_cond_t类型声明条件变量，需要初始化后才能使用。

4.6.4：生产者-消费者问题
生产者-消费者问题是一种典型的线程同步问题，一组生产者进程和一组消费者进程共享一个缓冲区。只有当缓冲区为空时，消费者才能从中取出数据；只有当缓冲区为满时，生产者才能将数据放入缓冲区。

4.6.5：信号量
信号量是一种线程同步的机制，包含一个计数器和相关的操作。在Pthreads中，可以使用初始值为1的信号量作为锁，用于保护临界区。信号量的初始值可以用于控制线程协作。相比条件变量，信号量更通用且更灵活。

4.6.6：屏障
屏障提供了一种线程同步的方法，可以在特定点将线程阻塞，直到所有线程都到达该点。创建屏障对象，然后在需要同步的线程中进行初始化。之后，主线程创建工作线程来执行任务，并使用pthread_barrier_wait()函数在屏障中同步线程的操作。

2.苏格拉底挑战
苏格拉底挑战是对传统教育方法的质疑和反思。传统教育注重灌输知识，学生被要求记忆和重复信息，但却缺乏对于问题的独立思考和批判性思维能力的培养。苏格拉底提出了一种新的教育方法，鼓励学生通过问问题来探索和发现知识。他认为学生应该思考问题并通过对话和讨论来互相学习和提高。

苏格拉底挑战强调学生主动参与学习过程，培养他们的批判性思维能力和解决问题的能力。这种教育方法强调学生的主体性和自主学习，鼓励他们质疑和挑战现有的观念和知识，以推动思维的发展和知识的创新。通过对话和讨论，学生可以学会自我表达和辩论，提高自己的思维和表达能力。

苏格拉底挑战对传统教育模式提出了一种革新的思路，促进了教育领域的改革和发展。通过引导学生主动思考和互动，教育可以成为一种更有意义和有效的过程，培养学生的思维能力和创造力，使他们成为有能力解决问题、适应变化和创新的人才。