第四章学习笔记
一、概要：
本章论述了并发编程，介绍了并行计算的概念，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;通过示例介绍了 Pthread 中的线程操作，句括线程管理函数。互斥量、连接、条件变量和屏魔等线程同步工具;通过具体示例演示了如何使用线程进行并发编程，包括矩阵计算、快速排序和用并发线程求解线性方程组等方法;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。编程项目是为了实现用户级线程。它提供了一个基础系统来帮助读者开始工作。这个基础系统支持并发任务的动态创建、执行和终止，相当干在某个进程的同一地址空间中执行线程。读者可通过该项目实现线程同步的线程连接、互斥量和信号量，并演示它们在并发程序中的用法。该编程项目会让读者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。
二、学到了什么
- 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，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。
- 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。
（2）线程的优点
线程创建和切换速度更快；
线程的相应速度更快；
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。
- 线程管理函数
（1）创建线程
使用pthread_create()函数创建线程。
int prhread_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。
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。
4.线程同步
（1）互斥量
1.一种是静态方法：
pthread_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。
2.一种是动态方法：使用pthread_mutex_init()函数，可通过attr参数设置互斥属性。
pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *m,pthread_mutexattr_t,*attr);
（2）死锁预防
有多种方法可以解决可能的死锁问题，其中包括死锁预防、死锁规避、死锁检测和恢复等。在实际系统中，唯一可行的方法是死锁预防，试图在设计并行算法时防止死锁的发生。一种简单的死锁预防方法是对互斥量进行排序，并确保每个线程只在一个方向请求互斥量，这样请求序列中就不会有循环。
但是，仅使用单向加锁请求来设计每个并行算法是不可能的。在这种情况下，可以使用条件加锁函数 pthread mutex trylock（来预防死锁。如果互斥量已被加锁，则 trylock（函数会立即返回一个错误。在这种情况下，调用线程可能会释放它已经获取的一些互斥量以便进行退避，从而让其他线程继续执行。在上面的交叉加锁示例中，我们可以重新设计其中一个线程，
避免死锁-利用银行家算法避免死锁。
实践与代码
例4.1：用线程计算矩阵的和
假设计算一各N*N整数矩阵中所有元素的和。
源代码
#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 thread\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 ("tatal = %d\n",total );
pthread_exit(NULL);
}
遇到的问题：
在试用Linux 线程模块时，试用pthread_create 函数。
编译命令为 gcc test.c -o test时，会出现如下错误
解决办法：
在gcc编译的时候，附加要加 -lpthread参数即可解决。
试用如下命令即可编译通过：gcc test.c -o test -lpthread
