第四章学习笔记

第三章学习笔记

一、知识点概述

摘要
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。

1.并行计算导论

（1）顺序算法与并行算法

（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，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。

2.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：若要在某个进程中创建线程，操作系统不必为新的线程分配内存和创建页表，因为线程与进程共用同一个地址空间。所以，创建线程比创建进程更快。
线程的响应速度更快：一个进程只有一个执行路径。当某个进程被挂起时，帮个进程都将停止执行。相反，当某个线程被挂起时，同一进程中的其他线程可以继续执行。
线程更适合井行计算：并行计算的目标是使用多个执行路径更快地解决间题。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来提高计算速度。
（3）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。

3.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。
（2）线程ID
线程 ID是一种不透明的数据类型，取决于实现情况。因此，不应该直接比较线程 ID。如果需要，可以使用 pthread_equal()函数对它们进行比较。
int pthread_equal (pthread_t t1, pthread_t t2);
如果是不同的线程，则返回0，否则返回非0。
（3）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 pthread_exit (void *status);
进行显示终止，其中状态是线程的退出状态。通常，0退出值表示正常终止，非0只表示异常终止。
（4）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);
终止线程退出状态以status_ptr返回。

3.线程同步

互斥量
通过使用pthread的互斥接口保护数据，确保同一时间只有一个线程访问数据。互斥量（mutex）从本质上说是一把锁，在访问共享资源前对互斥量进行加锁，在访问完成后释放互斥量上的锁。对互斥量进行加锁以后，任何其他试图再次对互斥量加锁的线程将会被阻塞直到当前线程释放该互斥锁。如果释放互斥锁时有多个线程阻塞，所有在该互斥锁上的阻塞线程都会变成可运行状态，第一个变为运行状态的线程可以对互斥量加锁，其他线程将会看到互斥锁依然被锁住，只能回去再次等待它重新变为可用。在这种方式下，每次只有一个线程可以向前执行。
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);

死锁预防

如果线程试图对同一个互斥量加锁两次，那么它自身就会陷入死锁状态，使用互斥量时，还有其他更不明显的方式也能产生死锁。例如，程序中使用多个互斥量时，如果允许一个线程一直占有第一个互斥量，并且在试图锁住第二个互斥量时处于阻塞状态，但是拥有第二个互斥量的线程也在试图锁住第一个互斥量，这时就会发生死锁。因为两个线程都在相互请求另一个线程拥有的资源，所以这两个线程都无法向前运行，于是就产生死锁。
可以通过小心地控制互斥量加锁的顺序来避免死锁的发生。例如，假设需要对两个互斥量A和B同时加锁，如果所有线程总是在对互斥量B加锁之前锁住互斥量A，那么使用这两个互斥量不会产生死锁（当然在其他资源上仍可能出现死锁）；类似地，如果所有的线程总是在锁住互斥量A之前锁住互斥量B，那么也不会发生死锁。只有在一个线程试图以与另一个线程相反的顺序锁住互斥量时，才可能出现死锁。
有时候应用程序的结果使得对互斥量加锁进行排序是很困难的，如果涉及了太多的锁和数据结构，可用的函数并不能把它转换成简单的层次，那么就需要采用另外的方法。可以先释放占有的锁，然后过一段时间再试。这种情况可以使用pthread_mutex_trylock接口避免死锁。如果已经占有某些锁而且pthread_mutex_trylock接口返回成功，那么就可以前进；但是，如果不能获取锁，可以先释放已经占有的锁，做好清理工作，然后过一段时间重新尝试。

条件变量

条件变量是线程可用的另一种同步机制。条件变量给多个线程提供了一个会合的场所。条件变量与互斥量一起使用时，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生。
与互斥量一样，条件变量也可以通过静态方法或动态方法进行初始化。