学习笔记7——并发编程与线程同步

本文将深入探讨并发编程的概念，介绍了并行计算的重要性，比较了顺序算法与并行算法，解释了线程的原理和相对于进程的优势，并通过示例介绍了在Pthread中进行线程操作。我们还将讨论线程同步工具，如互斥量、信号量和屏障，以及如何避免并发程序中的死锁问题。

一、概述

在计算机科学中，并行计算是一种利用多个计算资源同时解决计算问题的方法。并行计算的关键概念包括将问题分解成离散部分、并发执行这些部分、协调不同部分的执行，以及确保总体控制和调度。并行计算通常需要多核计算机或者连接在一起的多台计算机。

并行计算的计算问题应具备以下特点：

1. 能够分解成并发执行的离散部分。
2. 不同部分可以在任意时刻执行。
3. 使用多个计算资源的时间要小于使用单个计算资源的时间。

计算资源包括多处理器/多核计算机和多台连接在一起的计算机。

二、线程

线程是操作系统中能够进行运算调度的最小单位，它是进程中的实际运作单位。线程能够并行执行不同的任务，使得多个任务可以同时进行。线程的调度可以由操作系统内核进行（内核线程）或由用户进程自行调度（用户线程）。线程之间可以共享同一进程的资源。

1. 线程管理

创建一个新的线程

int pthread_create(pthread_t *pthread_id, const pthread_attr_t *attr, void *(*func)(void *), void *arg);

• pthread_id是指向pthread_t类型变量的指针，用于存储线程的唯一标识。
• attr是指向线程属性的指针，可以用于设置线程的属性。
• func是新线程的入口函数。
• arg是传递给线程入口函数的参数。

线程终止

void pthread_exit(void *retval);

等待线程结束

int pthread_join(pthread_t thread, void **retval);

返回线程ID

pthread_t pthread_self(void);

2. 线程同步

在多个线程共享内存时，需要确保每个线程能够访问一致的数据。线程同步的工具包括互斥量、信号量和屏障。

互斥量

互斥量用于保护数据，确保同一时间只有一个线程能够访问数据。互斥量的使用需要调用pthread_mutex_lock进行加锁，以及pthread_mutex_unlock进行解锁。如果多个线程试图同时访问被互斥量保护的数据，其中一个线程会被阻塞。

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);

死锁预防

为了避免死锁，需要小心控制互斥量的加锁顺序。确保所有线程都按照相同的顺序加锁，以避免交叉锁定互斥量。

信号量

信号量是一种用于进程同步的通用机制，用来表示可用资源的数量。信号量可以用于控制并发访问共享资源。

3. 屏障

线程连接操作允许一个线程等待其他线程的结束。主线程可以创建一个屏障对象，然后等待其他线程在屏障处汇合。一旦所有线程都到达屏障，它们可以继续执行。这是一种集合点，而不是线程的终结点。

苏格拉底挑战问答

结语

并发编程是一个复杂的主题，要求开发人员小心处理线程之间的交互和数据共享。了解并使用线程同步工具，如互斥量、信号量和屏障，对于避免竞态条件和死锁问题至关重要。希望本文能够帮助您更好地理解并发编程和线程同步的重要性。