《Unix/Linux系统编程》学习笔记7

第四章 并发编程

一、知识点归纳

（一）并行计算导论

1.顺序算法与并行算法

顺序算法	并行算法
begin   step_1   step_2   ……   step_n end // next step	cobegin   task_1   task_2   ……   task_n coend // next step

2.并行性与并发性

（二）线程

1.线程的原理

2.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

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。

• （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系统开销造成的。

（三）线程操作

（四）线程管理函数

Pthread 库提供了用于线程管理的以下 API。

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(arr)                 : destroy thread attributes

1.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);

  如果成功则返回0，如果失败则返回错误代码。pthread_create()函数的参数为

• 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。

2.线程ID

3.线程终止

4.线程连接

（五）线程示例程序（见实践内容）

1.用线程计算矩阵的和

2.用线程快速排序

（六）线程同步

• 竞态条件：当多个线程试图修改同一共享变量或数据结构时，修改结果取决于线程的执行顺序。

1.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执行。在 Pthread 中，锁被称为互斥量，意思是相互排斥。互斥变量是用 pthread_mutex_t 类型声明，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量。

1. 一种是静态方案，如：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. 另一种是动态方案，使用pthread_mutex_init()函数，可通过 attr 参数设置互斥属性，如：pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *m, pthread_mutexattr_t, *attr); 通常，attr 参数可以设置为 NULL，作为默认属性。

2.死锁预防

  互斥量使用封锁协议。如果某线程不能获取互斥量，就会被阻塞，等待互斥量解锁后再继续。在任何封锁协议中，误用加锁可能会产生一些问题。最常见和突出的问题是死锁。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。

  与竞态条件类似，死锁决不能存在于并发程序中。有许多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，我们可以重新设计一个线程，例如 T1，利用条件加锁和退避来预防死锁。

/*Thread T1*/
while(1){
    lock(m1);
    if(!trylock(m2))
        unlock(m1);
    else
        break;
}

3.条件变量

4.生产者—消费者问题

5.信号量

• 信号量是进程同步的一般机制。

6.屏障

7.用并发线程解线性方程式

8.Linux 中的线程

  与许多其他操作系统不同，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，具有以下原型：

int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg)

可以看出，clone()更像是一个线程创建函数。它创建一个子进程来执行带有 child_stack的函数fn(arg)。flag 字段详细说明父进程和子进程共享的资源。

（七）用户级线程

二、问题与解决思路

（一）问题1：error: conflicting types for ‘qsort’; have ‘void *(void *)’

解决方案：qsort()这个函数名被占用了,将函数名 qsort修改成其它名字， 比如改成 qsort1。

三、实践内容与截图

（一）用线程计算矩阵的和

#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("total = %d\n",total);
  pthread_exit(NULL);
}

（二）用并发线程快速排序

#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};

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

void *qsort1(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];
  left=lowerbound-1;
  right=upperbound;
  if(lowerbound>=upperbound)
    pthread_exit(NULL);
  
  while(left<right)
  {
    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;
  temp=a[pivotIndex];
  a[pivotIndex]=pivot;
  a[upperbound]=temp;
  aleft.upperbound=pivotIndex-1;
  aleft.lowerbound=lowerbound;
  aright.upperbound=upperbound;
  aright.lowerbound=pivotIndex+1;
  printf("%lu: create left and right threads\n",me);
  pthread_create(&leftThread,NULL,qsort1,(void *)&aleft);
  pthread_create(&rightThread,NULL,qsort1,(void *)&aright);
  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,qsort1,(void *)&arg);
  pthread_join(thread,NULL);
  printf("main %lu sorted array = ",me);
  print();
}

（三）Pthread中的互斥量

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>
#define N 4
int A[N][N];

int total=0;
pthread_mutex_t *m;
void *func(void *arg)
{
  int i,row,sum=0;
  pthread_t tid=pthread_self();
  row=(int)arg;
  printf("Thread %d [%lu] computes sum of row %d\n",row,tid,row);
  for(i=0;i<N;i++)
    sum+=A[row][i];
  printf("Thread %d [%lu] update total with %d : ",row,tid,sum);
  pthread_mutex_lock(m);
  total+=sum;
  pthread_mutex_unlock(m);
  printf("Thread %d : total = %d\n",row,total);
}

int main(int argc,char *argv[])
{
  pthread_t thread[N];
  int i,j,r;
  void *status;
  printf("Main: initialize A matrix\n");
  for(i=0;i<N;i++){
      for(j=0;j<N;j++){
	      A[i][j]=i*N+j+1;
	      printf("%4d ",A[i][j]);
	    }
      printf("\n");
  }
  m=(pthread_mutex_t *)malloc(sizeof(pthread_mutex_t));
  pthread_mutex_init(m,NULL);
  for(i=0;i<N;i++){
      printf("Main: create thread %d \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: total = %d\n",total);
  pthread_mutex_destroy(m);
  pthread_exit(NULL);
}