第四章：并发编程
并行计算导论
顺序算法与并行算法
- 顺序算法：所有步骤通过单个任务依次执行，每次执行一个步骤，当所有步骤执行完成时，算法结束。
- 并行算法：cobegin-coend代码块来指定独立任务，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。
并行性与并发性
- 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。
- 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。
线程
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。
线程的优点
- 线程创建和切换速度更快
- 线程的响应速度更快
- 线程更适合并行运算
线程的缺点
- 由于地址空间共享，线程需要来自用户的明确同步
- 许多库函数可能对线程不安全
- 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
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。
线程管理函数
创建线程
- 使用pthread_create()创建线程函数
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
- attr是指向另一种不透明数据类型的指针，attr如果是NULL，将使用默认属性创建线程
- func是要执行的新线程函数的入口地址
- attr 参数的使用步骤
- (1)定义一个pthread属性变量pthread attr tattr。
- (2)用pthread attrinit (&attr)初始化属性变量。
- (3)设置属性变量并在pthread create0)调用中使用。
- (4)必要时，通过pthread attr destroy (&attr)释放attr 资源。
线程ID
- 线程ID是一种不透明的数据类型，取决于现实情况
int pthread_equal(pthread_t t1,pthread_t t2); - 如果是不同的线程，返回0，否则返回非0
线程终止
- 线程函数结束后，线程即终止
int pthread_exit(void *status)； - 进行显式终止，其中状态是线程的退出状态。0退出值表示正常终止，非0表示异常
线程连接
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
互斥量
- 最简单的同步工具是锁，它允许执行实体仅在有锁的情况下才能继续执行。在 Pthread中，锁被称为互斥量，意思是相互排斥。
- 初始化互斥量
- 静态方法
- 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_lock(&m);
access shared data object;
pthread_mutex_unlock(&m);
死锁预防
- 互斥量使用封锁协议。
- 在任何封锁协议中，误用加锁可能会产生一些问题。
- 死锁是一个状态，在这种状态下，许多执行实体相互等待，无法继续进行下去.
条件变量
- 静态方法初始化
- 动态方法初始化
生产者——消费者问题
- 共享全局变量
int buf[NBUF];
int head,tail;
int data;
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#define NBUF 5
#define N 10
// shared global variables
int buf[NBUF]; // circular buffers
int head, tail; // indices
int data; // number of full buffers
pthread_mutex_t mutex;
pthread_cond_t empty, full;
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;
head %= NBUF;
data++;
printf("producer %lu： data=%d value=%d\n", me, data, i+1);
pthread_mutex_unlock (&mutex);
pthread_cond_signal(&full);
}
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); // lock 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, if 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");
}
信号量
- 信号量是进程同步的一般机制。
- 在使用信号量之前，必须使用一个初始值和一个空等待队列进行初始化。
屏障
- 线程连接操作允许某线程等待其他线程终止
- 在pthread中可以采用的机制是屏障以及一系列屏障函数
Linux中的线程
- Linux不区分进程和线程。
- 对于Linux内核，线程只是一个与其他进程共享某些资源的进程。
- 在 Linux 中，进程和线程都是由 clone（）系统调用创建的：
int clone(int (*fn)(void*),void *child_stack,int flags,void *arg)
苏格拉底提问
遇到的问题
屏障实现线程同步的具体机制是啥
屏障（Barrier）是一种线程同步机制，它可以用于在多个线程中进行同步，并确保这些线程在某一点上同时达到。
在实现上，屏障通常由一个计数器和一个等待队列组成。当一个线程到达屏障时，它会将计数器加一，并检查计数器是否达到了预定的值。如果计数器还未达到预定值，该线程会进入等待队列，等待其他线程的到来。当计数器达到预定值时，表示所有参与屏障的线程已经到达，在这个点上进行同步操作，然后所有线程被释放，继续执行后面的任务。
屏障的典型应用场景是需要等待所有线程完成某个阶段的工作，然后再继续执行下一个阶段。例如，在并行计算中，可以使用屏障来确保所有子任务都完成了计算，然后进行合并和汇总。
