并行程序设计整理（三）—— Pthreads

共享内存程序 VS 分布式内存程序

共享内存程序

在共享内存程序中，变量可以是共享的，也可以是私有的。

共享变量可以被任何线程读写，私有变量通常只能被一个线程访问。线程之间的通信通常通过共享变量完成，因此此种方式下通信是隐式的。

动态线程

在这个范例中，通常有一个主线程，并且在任何给定时刻都有一个(可能是空的)工作线程集合。

主线程通常等待工作请求，当一个新的请求到达时，它会fork一个工作线程，该线程执行请求，当该线程完成工作时，它终止并加入主线程。

这种范例有效地利用了系统资源，因为线程所需要的资源只在线程实际运行时才会被使用。

静态线程

在这个范例中，在主线程进行任何必要的设置之后会fork出所有的线程，这些线程一直运行直到所有的工作完成。在线程加入主线程后，主线程可能会做一些清理(例如，释放内存)，这样被fork出来的线程也会终止。

在资源使用方面效率较低，如果一个线程是空闲的，它的资源(例如，堆栈，程序计数器，等等)都不能被释放。

优点是，它更接近于最广泛使用的分布式内存编程范例。

线程安全

如果一个函数或库在被多个同时执行的线程调用时能够“正确”操作，那么它就是线程安全的。

由于多个线程通过共享内存进行通信和协调，因此线程安全代码会使用适当的同步来修改共享内存的状态。

Pthreads

POSIX: P ortable O perating S ystem I nterface for UNI X，是UNIX的可移植操作系统接口，提供操作系统实用程序的接口。

PThreads: POSIX线程接口。系统调用来创建和同步线程

PThreads支持创建并行性、同步，但不支持显式通信，因为共享内存是隐式的。

创建线程

pthread_create函数用来启动线程，其签名为：

int pthread_create(pthread_t* 				thread_p 				/* out */,const pthread_attr_t* 	attr_p 					/* in */,void* 					(*start_routine)(void*) /* in */,void* 					arg_p 					/* in */);

参数列表：

thread_p：指向某一个pthread_t对象。*⚠️注意：对象不是通过调用pthread create来分配的;它必须在调用之前分配。

attr_p：不会使用这个参数，函数调用中传递参数NULL。

(*start_routine)(void*)：线程要运行的函数。

arg_p：一个指针，指向应该传递给函数start_routine的参数。

返回值：大多数Pthreads函数的返回值表示函数调用中是否有错误。在这个函数中，如果创建操作失败，返回值将被设置为非零（nonzero）

终止线程

主线程为某一线程调用pthread_join函数来完成终止，函数签名为：

int pthread_join(pthread_t 	thread 		/* in */,void** 		ret_val_p 	/* out */);

thread：代表了一个pthread_t对象。

ret_val_p：接收由线程计算的任何返回值。

如果将主线程视为一条线，如下图所示，那么，当调用pthread_create时，主线程上会创建一个分支或分叉。对pthread_create的多次调用将导致多个分支或分叉。然后，当由pthread_create启动的线程终止时，这些分支会并入主线程。

一个例子

int main() {pthread_t threads[16];int tn;for(tn = 0; tn < 16; tn++) {pthread_create(&threads[tn], NULL, ParFun, NULL);}for(tn = 0; tn < 16; tn++) {pthread_join(threads[tn], NULL);}return 0;
}

在上面这段代码中，一共创建了$16$个线程来执行函数ParFun。

*⚠️注意：线程创建的成本很高，因此ParFun并行地做大量工作以分摊这些成本是很重要的。

关于共享数据的问题：

• 在main函数外声明的变量是共享的
• 在堆上分配的对象可以被共享(如需要共享可以通过指针传递)
• 堆栈上的变量是私有的：将指向这些变量的指针传递给其他线程可能会导致问题。

Hello World

书上实例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>/* Global variable: accessible to all threads */
int thread_count;void* Hello(void* rank); /* Thread function */int main(int argc, char* argv[]) {long thread; /* Use long in case of a 64−bit system */pthread_t* thread_handles;/* Get number of threads from command line */thread_count = strtol(argv[1], NULL, 10);thread_handles = malloc (thread count*sizeof(pthread t));for (thread = 0; thread < thread_count; thread++)pthread_create(&thread handles[thread], NULL, Hello, (void*) thread);printf("Hello from the main thread\n");for (thread = 0; thread < thread_count; thread++)pthread_join(thread_handles[thread], NULL);free(thread_handles);return 0;
} /* main */
void* Hello(void* rank) {long my_rank = (long) rank;/* Use long in case of 64−bit system */printf("Hello from thread %ld of %dn\n", my_rank, thread_count);return NULL;
} /* Hello */

矩阵向量乘法

设$A=(a_{ij})$是一个$m\times n$的矩阵，$\text{x}=(x_0,x_1,\cdots ,x_n$