Unix/Linux系统编程第四章学习笔记
第四章 并发编程
4.1并行计算导论
- Linux 环境中有很多应用程序和很多进程，其中最重要的是客户端网络/服务器。 多进程服务器是指当客户端发出请求时，服务器使用子进程来处理客户端的请求。 父进程继续等待来自其他客户端的请求。 这种方法的优点是服务器可以在客户端请求时管理客户端，特别是在交互式客户端/服务器系统中。 对于 TCP 服务器，客户端和服务器之间的连接可能不会立即关闭。 客户端发送数据后可以关闭连接。 在此期间，服务器端进程被阻塞，操作系统可能会设置其他计划。 此时的客户服务流程。 与循环服务器相比，该服务的性能得到了显着提高。
4.1.1顺序算法与并行算法
- 顺序算法：begin-end代码块列出算法。可包含多个步骤，所有步骤通过单个任务依次执行，每次执行一个步骤，全执行完，算法结束。
//顺序算法
begin
step_1
step_2
···
step_n
end
- 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。
//并行算法
cobegin
task_1
task_2
···
task_n
coend
4.1.2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。
4.2线程
4.2.1线程的原理
- 简单来说，线程是某进程同一地址空间上的独立执行单元。
4.2.2/3线程的优点，缺点
-
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 -
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。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。 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
4.3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。
- 内核模式：对内核进行系统调用，变为挂起、激活以继续执行等。
- 用户模式：线程在进程的相同地址空间中执行，每个线程都有自己的堆栈。
4.4线程管理函数
4.4.1创建线程
- pthread_create函数。如下：
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
4.4.2线程ID
- 一种不透明的数据类型，取决于实现情况
int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);//比较线程ID
4.4.3线程终止
- 线程函数结束后，即终止。
void pthread_exit(void *status);//返回值：0退出值表示正常终止，非0值表示异常终止
4.4.4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
4.5线程实例程序（实践内容放在了篇尾）
4.6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。在并发程序中，绝不能有竞态条件。
4.6.1互斥量
- 在Pthread中，互斥量也被称为“锁”，意为互相排斥。允许执行实体仅在有锁的情况下才能继续执行的同步工具。
- 静态方法：
pthread_mutex_t m = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER
- 动态方法：使用pthread_mutex_init()函数
4.6.2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，然后死锁就发生了，死锁是一种状态，许多执行实体相互等待，都无法继续下去。
- 有多种方法可以解决死锁问题：死锁预防、死锁规避、死锁检测和恢复等。
4.6.3条件变量
- 提供了一种线程协作的方法
- 静态方法：
pthread_cond_t con = PTHREAD_COND_INITIALIZER
- 动态方法：使用pthread_cond_init()函数
4.6.5信号量
- 是一种数据结构，必须使用一个初始值和一个空等队列进行初始化。从执行实体的角度来看，对信号量的操作都是原子操作或基本操作。
4.6.6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。
4.6.8Linux中的线程
- Linux不区分线程和进程，它们都是由clone()系统调用创建的。
示例实践（4.5相关）
- 计算一个N X N矩阵元素的和
- 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);
}
- 运行结果：
