第四章学习笔记
一、概述
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；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，并论证了它们相对千条件变量的优点；还解释了Linux中线程的独特方式。
二、线程
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。 某进程的所有线程都在该进程的相同地址空间中执行， 但每个线程都是一个独立的执行单元。
- 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。
- 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。
- 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。
三、线程管理函数
- Pthread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
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);如果成功则返回0,如果失败则返回错误代码。
pthread_id是指向pthread_t类型变员的指针。它会被操作系统内核分配的唯一线程ID填充。在POSIX中,pthread_t是一种不透明的类型。程序员应该不知道不透明对象的内容，因为它可能取决千实现情况。线程可通过pthread_self()函数获得自己的ID。在Linux中，pthread_t类型被定义为无符号长整型，因此线程ID可以打印为%lu。
attr是指向另一种不透明数据类型的指针，它指定线程属性。
func是要执行的新线程函数的人口地址。
arg是指向线程函数参数的指针，可写为：void *func(void *arg) ,attr参数使用：
定义一个pthread展性变址pt:hread_attr_tattr。
用pthread_attr_init(&attr)初始化屈性变掀。
设置属性变垃并在pthread_ create()调用中使用。
必要时，通过pthread_attr_destroy(&attr)释放attr资源。
线程ID 是一种不透明的数据类型，取决于实现悄况。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 tl, pthread_t t2);
线程函数结束后，线程即终止。或者，线程可以调用函数 int pthraad_axit {void *status)
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。
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
四、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。
安全状态，是指OS能按某进程推进顺序为各进程分配资源（包括释放资源），满足各进程对资源的最大需求。
安全状态下不会出现死锁。
安全状态的例子见P119，很简单的一个例子。
避免死锁-利用银行家算法避免死锁
由Dijkstra的银行家算法是一个非常有代表性的避免死锁算法。
为实现银行家算法，每个新进程在进入系统时，先申明各所需资源的最大数目。
OS分配资源时，先确认有足够资源分配给该进程，再确认分配资源后是否会进入不安全状态。
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。
五、实践与代码
#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
",row,tid,row);
for(j=0;j<N; j++)
sum[row] += A[row][j];
printf("Thread %d [%lu] done:sum [%d] =%d
",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
");
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( "
" );
}
printf ("Main: create %d threads
",N);
for(i=0;i<N;i++) {
pthread_create(&thread[i],NULL,func,(void *)i);
}
printf("Main: try to join with thread
");
for(i=0; i<N; i++) {
pthread_join(thread[i],&status);
printf("Main: joined with %d [%lu]: status=%d
",i,thread[i],
(int)status);
}
printf("Main: compute and print total sum:");
for(i=0;i<N;i++)
total += sum[i];
printf ("tatal = %d
",total );
pthread_exit(NULL);
}
- 用线程计算矩阵的和
假设我们要计算一个N×N整数矩阵中所有元素的和。这个问题可通过使用线程的并发算法来解决。在本示例中，主线程会先生成一个N×N整数矩阵。然后，它会创建N个工作线程，将唯一行号作为参数传递给各工作线程，并等待所有工作线程终止。每个工作线程计算不同行的部分和，并将部分和存入全局数组int sum[N]的相应行中。当所有工作线程计算完成后，主线程继续进行计算。它将工作线程生成的部分和相加来计算总和。
六、问题与解决
问题：在试用Linux 线程模块时，试用pthread_create 函数。
编译命令为 gcc main.c -o test时，会出现如下错误
解决办法：解决：在gcc编译的时候，附加要加 -lpthread参数即可解决。
试用如下命令即可编译通过：gcc c41.c -o c41 -lpthread
