Unix/Linux系统编程自学笔记-第四章:并发编程

1、并行计算

并行计算

并行计算是一种计算方法，通过使用多个执行并行算法的处理器相较串行计算更快地解决问题。现代多核处理器的结构能很好的实现并行计算。计算机的发展未来也是并行计算。
顺序算法与并行计算
- 顺序算法
  
  一般代码块格式如下，顺序算法的每个代码块可能包含多个步骤。各个步骤都是通过单个任务依次执行，每次执行一个步骤。所有步骤都执行完后任务结束。
- 并行算法
  
  一般代码块的结构如下，并行计算的代码块中的所有任务并行执行，所有任务都结束后执行下一步骤。
并行性与并发性
- 并行性
  
  一个并行算法中的所有任务同时都在运行，一般在理想情况下的多处理系统中可实现并行运算。
- 并发性
  
  在单CPU系统中，一次只可执行单个任务，只能通过并发执行实现逻辑上的并行执行。
井行性与并发性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，比如多处理牉或多核系统。在单CPU系统中，一次只能执行一个任务。在这种情况下，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

线程介绍

 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。

- 线程优点线程创建和切换速度更快：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。
- 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，帮个进程都将停止执行。相反，当某个线程被挂起时，同一进程中的其他线程可以继续执行。
- 线程更适合井行计算：并行计算的目标是使用多个执行路径更快地解决间题。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。
线程的缺点
- 需要来自用户的明确同步
- 库函数对于线程来说不够安全
- 单CPU系统中上下文切换耗时过大

3、线程管理

线程与进程类似，也有内核模式和用户模式。用户模式下线程在其进程的相同地址中执行，每个线程都拥有各自的执行堆栈。内核模式下则根据系统内核的调度策略执行系统调用，也有挂起、激活等过程。系统内核调用会优先选择同一进程中的线程。

线程管理函数

大部分操作系统都兼容POSIX Pthread线程标准，Pthread提供了如下用于线程管理的程序编程接口：

pthread_create(thread, attr, function, arg);	-> 创建线程
pthread_exit(status);			           -> 终止线程
pthread_cancel(thread);                     -> 取消线程
pthread_attr_init(attr);                    -> 初始化线程属性
pthread_attr_destroy(attr);                 -> 删除线程属性

创建线程

可以使用pthread_create()函数创建线程：
```
int pthread_create(pthread_t *pthread_id, pthread_attr_t *atr, void *(*func)(void *), void *arg);
```
如果创建成功则返回0，失败则返回错误代码。

参数：
- 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.线程可以通过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，它指向线程属性。
- func要执行的新线程的新线程函数的入口地址。
- arg指向线程函数参数的指针
```
void *func(void *arg);
```

4、线程同步

线程在进程的同一地址空间中执行，共享同一地址空间中的所有全局变量和数据结构。不同的线程对同一个共享资源进行操作时，如果结果取决于线程的执行顺序，就会产生竞争，这是并发程序所杜绝的。
互斥量

为了解决线程间的竞争，可以使用互斥量。它是一个锁，当拥有锁的时候才可以进行操作。

互斥量可以通过静态和动态两种方式初始化。
死锁预防

互斥量采用了封锁协议，如果线程无法获取互斥量，那么就会被阻塞，等待互斥量解锁后才能继续操作。当多个实体互相等待时，死锁就会出现。应对方法有死锁预防、死锁规避、死锁检测和恢复等。

预防死锁可以通过条件加锁函数pthread_mutex_trylock()实现。

互斥变量是用 ptbread_mutex_t 类型声明的在使，用之前必须对它们进行初始化。有两种方法可以初始化互斥址。静态方法,pthreaa—mutex_t m = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 定义互斥量 m, 并使用默认属性对其进行初始化。动态方法，使用 pthread_ mutex _init() 函数
条件变量

作为锁，互斥量仅用于确保线程只能互斥地访间临界区中的共享数据对象。在Pthread中，使用类型pthread_cond_t来声明条件变拉，而且必须在使用前进行初始化。与互斥变量一样，条件变量也可以通过两种方法进行初始化。静态方法:pthread_cond_t con= PTHREAD_COND_INITIALIZER;定义一个条件变屾con,并使用默认属性对其进行初始化。动态方法:使用pthread_cond_init()函数，可通过attr参数设置条件变量。为简便起见，我们总是使用NULLattr参数作为默认属性。