20191324第四章读书笔记

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，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；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， 并论证了它们相对千条件变量的优点；还解释了支待 Linux 中线程的独特方式。

并行计算

• 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米提高计算速度。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。

并行性和并发性

• 并行算法只识别可执行的任务。理想情况下，并行算法中的所有任务都应该同时实时执行
• 并发性是通过多任务处理实现的

线程

• 线程的原理：在内核模式下各进程在唯一地址空间上执行，与其他进程分开
• 每个进程都是一个独立单元，只有一个执行路径
• 线程是某进程同一地址空间上的独立执行单元（如果只有一个主线程，那么进程和线程并没有什么本质区别）
• 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
• 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。3）在单CPU系统上，使用线程解决间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。
• 线程操作：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，变为桂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一进程中的线程，而不是不同进程中的线程
• Pthread库提供了用于线程管理的以下APT：

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

• 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);
  其中，attr最复杂，其使用步骤为：1）定义一个pthread展性变址pt:hread_attr_tattr。2）用pthread_attr_init(&attr)初始化屈性变掀。3）设置属性变垃并在pthread_ create()调用中使用。4）必要时，通过pthread_attr_destroy(&attr)释放attr资源。
• 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 pthraad_exit {void *status)
• 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。

线程同步

• 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
• 互斥量：在 Pthread中，锁被称为互斥量，意思是相互排斥。互斥变呈是用 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
• 线程通过互斥量来保护共享数据对象

死锁预防

• 死锁是一种状态，在这种状态下，许多执行实体相互等待，因此都无法继续下去

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。

生产者-消费者问题

实践

4.2

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#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};// unsorted data
int print(){//print current a[] contents
	int i;
	printf("[");
	for(i=0;i<N;i++)
		printf("%d ",a[i]);
	printf("]\n");
}
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\n",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\n" , 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 () ;
}

运行结果：

4.4

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#define NBUF 5
#define N 10
//shared g1obal variab1es
int buf [NBUF];//circular buffers
int head, tail;//indices
int data;//number of full buffers
pthread_mutex_t mutex;//mutex lock
pthread_cond_t empty,full;//condition variables
int init(){
	head = tail = data = 0;
	pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
	pthread_cond_init(&full,NULL);
	pthread_cond_init(&empty,NULL);
}
void *producer (){
	int i;
	pthread_t me = pthread_self() ;
	for (i=0; i<N; i++){ //try to put N items into buf[ ]
		pthread_mutex_lock(&mutex);//lock mutex
		if(data == NBUF) {
			printf("producer %lu: all bufs FULL: wait\n",me);
			pthread_cond_wait(&empty, &mutex);//wait
		}
		buf[head++] = i+1;//item = 1,2锛?.锛孨
		head %=NBUF;//circular bufs
		data++;//inc data by 1
		printf("producer %lu: data=%d value=%d\n",me,data,i+1);
		pthread_mutex_unlock(&mutex);//unlock mutex
		pthread_cond_signal(&full);//unblock a consumer锛?if any
	}
	printf("producer %lu: exit \n",me);
}
void *consumer(){
	int i, c;
	pthread_t me = pthread_self();
	for(i=0;i<N;i++){
		pthread_mutex_lock(&mutex);//1ock mutex
		if(data == 0){
			printf ("consumer %lu: all bufs EMPTY : wait\n",me);
			pthread_cond_wait(&full,&mutex);//wait
		}
    	c=buf[tail++];//get an item
		tail%=NBUF;
		data--;//dec data by 1
		printf("consumer %lu: value=%d\n",me,c);
		pthread_mutex_unlock(&mutex);//unlock mutex
		pthread_cond_signal(&empty);//unblock a producer锛宨f any
	}
	printf("consumer %lu: exit\n",me);
}
int main(){
	pthread_t pro, con;
	init();
	printf("main: create producer and consumer threads \n");
	pthread_create(&pro,NULL, producer,NULL);
	pthread_create (&con,NULL,consumer,NULL);
	printf("main: join with threads\n");
	pthread_join(pro,NULL);
	pthread_join(con,NULL);
	printf("main: exit\n");
}

运行结果：