第四章 并发编程

1.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;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;演示了如何使用线程进行并发编程;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。

2.线程

2.1线程优点

• 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。

2.2线程缺点

• 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。

2.3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。在用户模式下，线程在进程的相同地址空间中执行，但每个线程都有自己的执行堆栈。线程是独立的执行单元，可根据操作系统内核 的调度策略，对内核进行系统调用，变为桂起激活以继续执行等。为了利用线程的共享地址空间，操作系统内核的调度策略可能会优先选择同一进程中的线程，而不是不同进程中的线程。

2.4Pthread并发编程

• Pthread库提供了用于线程管理的以下APT：

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

2.5线程操作

• 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);
  其中，attr最复杂，其使用步骤为：
  • 1.定义一个pthread展性变址pt:hread_attr_tattr。
  • 2.用pthread_attr_init(&attr)初始化屈性变掀。
  • 3.设置属性变垃并在pthread_ create()调用中使用。
  • 4.必要时，通过pthread_attr_destroy(&attr)释放attr资源。
• 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 pthraad_exit {void *status)
• 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);
  终止线程的退出状态以status_ptr返回。

3.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
• 互斥量：在 Pthread中，锁被称为互斥量，意思是相互排斥。互斥变呈是用 ptbread_mutex_t 类型声明的在使，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址：
  静态方法: pthreaa—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。
  动态方法:使用 pthread_ mutex _init() 函数
  线程通过互斥量来保护共享数据对象

4.死锁预防

• 预防死锁
  通过破坏产生死锁的四个必要条件来预防死锁，
  但因互斥条件是必须的，所以不能破坏该条件。

• 预防死锁-破坏“请求和保持”条件

为了破坏该条件，OS需要保证：
当进程请求资源时，不可持有不可抢占资源。
可通过两个协议实现：

• 第一种协议

进程在开始运行前，一次性申请整个运行过程中所需的全部资源。
缺点：
资源严重浪费。
进程进程出现饥饿现象。

• 第二种协议

进程在开始运行前，仅请求初期所需资源，运行时逐步释放不再需要的资源，并请求新的所需资源。

• 预防死锁-破坏“不可抢占”条件

保持了不可抢占资源的进程，提出新资源申请，但不被满足时，释放所有已得到的资源。
实现复杂，且释放已有资源很可能付出很大代价。
预防死锁-破坏“循环等待”条件
对系统所有资源类型进行排序，并赋予不同序号，进程在请求资源时，必须按序号递增顺序请求资源。如果一个拥有高序号资源的进程，请求低序号资源，则需要先释放高序号资源，再请求低序号资源。
资源利用率与吞吐量相较前两策略改善不少。
缺点：
新设备的增加被限制。
资源标号困难。
限制用户编程思路。

• 避免死锁

在资源动态分配过程中，防止系统进入不安全状态，限制弱，但成本低。
避免死锁-系统安全状态
死锁避免中，系统状态被划分成安全状态与不安全状态，处于不安全状态时，系统可能进入死锁。
允许进程动态申请资源，但OS进行分配资源前，应先评估资源分配安全性，仅安全状态下可分配。

• 银行家算法的数据结构

Available[]：可利用资源向量，包含m个元素的数组，表示系统中该类资源的数目。
Max[][]：nm矩阵，n个进程对m个资源的最大需求。
Allocation[][]：nm矩阵，n个进程已获得m个资源的数量。
Need[][]：n*m矩阵，n个进程所需的m个资源的数量。
关系：Need[i, j] = Max[i, j] - Allocation[i, j]
书本中的Need等二维向量，仅用一对[]，但为了区分，变量名中我使用两对[]。

• 银行家算法

Request是进程p的请求向量，
Request[j]=k表示当前p进程对j资源需要k个数量。
如无特别说明，带序号的步骤为顺序步骤。
Request[][]<=Need[][]，如果大于，则认为出错，因为超过了它原先宣布的最大值。
Request[][]<=Available[]，如果大于，则等待。
将数据结构中各数据修改成分配资源后的值。
执行安全性算法，若安全，则分配数据，若不安全，则本次分配作废，进程等待。

• 安全性算法

设置两个临时变量Work[]=Available[]、Finish[]=false，分别表示当前可用资源数目、是否已经安全分配资源。
从进程集合中找到一进程i满足：Finish[i]false，并且Need[i, j]<Work[j]的进程，若找到，进入3，否则进入4.
设置Work[j]+=Available[i, j]，Finish[i]=true，即分配完资源给进程，进程结束后释放资源，Work增加，安全分配，Finish置真。
步骤3结束后，跳回步骤2.
所有进程Finish[]true，是则表示处于安全状态，不是则不安全。

5.实践

1. 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};// unsorted data
int print(){//print current a[] contents
	int i;
	printf("[");
	for(i=0;i<N;i++)
		printf("%d ",a[i]);
	printf("]\n");
}
void *Qsort(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];//pick low pivot value
	left = lowerbound - 1;//scan index from left side
	right = upperbound;//scan index from right side
	if(lowerbound >= upperbound)
		pthread_exit (NULL);
	while(left < right){//partition loop
		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;//put pivot back
	temp = a[pivotIndex] ;
	a[pivotIndex] = pivot;
	a[upperbound] = temp;
	//start the "recursive threads"
	aleft.upperbound = pivotIndex - 1;
	aleft.lowerbound = lowerbound;
	aright.upperbound = upperbound;
	aright.lowerbound = pivotIndex + 1;
	printf("%lu: create left and right threadsln", me) ;
	pthread_create(&leftThread,NULL,Qsort,(void * )&aleft);
	pthread_create(&rightThread,NULL,Qsort,(void *)&aright);
	//wait for left and right threads to finish
	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,Qsort,(void * ) &arg);//wait for Qs thread to finish
	pthread_join(thread,NULL);
	printf ("main %lu sorted array = ", me);
	print () ;
}

2.消费者-消费者问题

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#define NBUF 5
#define N 10
//shared g1obal variab1es
int buf [NBUF];//circular buffers
int head, tail;//indices
int data;//number of full buffers
pthread_mutex_t mutex;//mutex lock
pthread_cond_t empty,full;//condition variables
int init(){
	head = tail = data = 0;
	pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
	pthread_cond_init(&full,NULL);
	pthread_cond_init(&empty,NULL);
}
void *producer (){
	int i;
	pthread_t me = pthread_self() ;
	for (i=0; i<N; i++){ //try to put N items into buf[ ]
		pthread_mutex_lock(&mutex);//lock mutex
		if(data == NBUF) {
			printf("producer %lu: all bufs FULL: wait\n",me);
			pthread_cond_wait(&empty, &mutex);//wait
		}
		buf[head++] = i+1;//item = 1,2锛?.锛孨
		head %=NBUF;//circular bufs
		data++;//inc data by 1
		printf("producer %lu: data=%d value=%d\n",me,data,i+1);
		pthread_mutex_unlock(&mutex);//unlock mutex
		pthread_cond_signal(&full);//unblock a consumer锛?if any
	}
	printf("producer %lu: exit \n",me);
}
void *consumer(){
	int i, c;
	pthread_t me = pthread_self();
	for(i=0;i<N;i++){
		pthread_mutex_lock(&mutex);//1ock mutex
		if(data == 0){
			printf ("consumer %lu: all bufs EMPTY : wait\n",me);
			pthread_cond_wait(&full,&mutex);//wait
		}
    	c=buf[tail++];//get an item
		tail%=NBUF;
		data--;//dec data by 1
		printf("consumer %lu: value=%d\n",me,c);
		pthread_mutex_unlock(&mutex);//unlock mutex
		pthread_cond_signal(&empty);//unblock a producer锛宨f any
	}
	printf("consumer %lu: exit\n",me);
}
int main(){
	pthread_t pro, con;
	init();
	printf("main: create producer and consumer threads \n");
	pthread_create(&pro,NULL, producer,NULL);
	pthread_create (&con,NULL,consumer,NULL);
	printf("main: join with threads\n");
	pthread_join(pro,NULL);
	pthread_join(con,NULL);
	printf("main: exit\n");
}