20191330雷清逸 学习笔记7

20191330 雷清逸 学习笔记7（第四章）

一、知识点归纳以及自己最有收获的内容

知识点归纳

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，包括线程管理函数，互斥量、连接、条件变量和屏障等线程同步工具；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；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，相当于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。

最有收获的部分

• 线程的优缺点
• 线程操作
• 线程管理函数
• 线程同步
• 死锁预防
• 条件变量的使用

并行计算导论

• 在早期，大多数计算机只有一个处理组件，称为处理器或中央处理器（CPU）。受这种硬件条件的限制，计算机程序通常是为串行计算编写的。
• 近年来，随着多核处理器的出现，大多数操作系统（如Linux）都支持对称多处理（SMP）。甚至对于普通程序员来说，并行计算也已经成为现实。显然，计算的未来发展方向是并行计算。在本章中，我们将介绍通过并发编程实现并行计算的基本概念和方法。

线程

• 原理：

  一个操作系统（OS）包含许多并发进程。在进程模式中，进程是独立的执行单元。所有进程均在内核模式或用户模式下执行。

• 线程与进程的区别：

  线程是某进程同一地址空间上的独立执行单元。线程是住在进程房子里的人。房子里的每个人都可以独立做自己的事情，但是他们会共用一些公共设施。

• 线程的优点：

  （1）线程创建和切换速度更快：进程的上下文复杂而庞大。其复杂性主要来自管理进程映像的需要。要想创建新的进程，操作系统必须为进程分配内存并构建页表。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。

  （2）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，整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。

  （3）线程更适合并行计算：并行计算的目标是使用多个执行路径更快地解决问题。在进程模型中，各进程不能有效共享数据，因为它们的地址空间都不一样。为了解决这个问题，进程必须使用进程间通信（IPC）来交换数据或使用其他方法将公用数据区包含到其地址空间中。相反，同一进程中的所有线程共享同一地址空间中的所有（全局）数据。因此，使用线程编写并行执行的程序比使用进程编写更简单、更自然。

• 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，例如传统strtok()函数将一个字符串分成一连串令牌。

（3）在单CPU系统上，使用线程解决问题世界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。

线程管理函数

Pthread库提供了用于线程管理的以下API：

pthread_create() //创建一个新的进程，成功则返回0；失败则返回错误代码。
pthread_exit() //线程终止函数，0表示正常终止；非0表示异常终止。
pthread_cancel() //结束某个线程，只是请求取消运行。
pthread_equal() //比较线程ID，不同返回0；否则返回非0。
pthread_join() //等待另一个线程终止。

线程同步

由于线程在进程的同一地址空间中执行，它们共享同一地址空间中的所有全局变量和数据结构。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。否则，结果可能不一致。

• 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。有两种方法可以初始化互斥量。

  （1）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）动态方法：pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *m, pthread_mutexattr_t,*addr)

  通过attr参数设置互斥属性。

• 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。

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

条件变量提供了一种线程协作的方法。

条件变量也可以通过两种方法进行初始化。

（1）静态方法：pthread_cond_t con = PTHREAD_COND_INITIALIZER

定义一个条件变量con，并使用默认属性对其进行初始化。

（2）动态方法：另一种是动态方法，使用pthread_cond_init()函数，可通过attr参数设置条件变量。