Linux多线程编程计算pi值

Linux多线程编程计算pi值

操作系统原理课程LAB2

使用pthread系列函数进行多线程编程计算pi的近似值。

一、实验原理

1. 计算公式

计算公式

2. pthread.h 包含pthread系列函数的头文件

  • pthread_create() 函数原型:

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    int pthread_create(pthread_t * thread, const pthread_arrt_t* attr,void*(*start_routine)(void *), void* arg);

    各参数含义:

    (1) thread是线程标识符,类型为int

    (2) attr用于设置线程属性,如果为NULL则表示为默认属性;

    (3) start_routine和arg表示新线程运行的函数和参数;

    (4) 该函数返回值:成功返回0,失败返回错误号。

  • pthread_join() 函数原型:

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

    各参数含义:

    (1) thread为新线程的标识符;

    (2) retval有如下情况:

    1. 如果thread线程通过return返回,value_ptr所指向的单元里存放的是thread线程函数的返回值。
    2. 如果thread线程被别的线程调用pthread_cancel异常终掉,value_ptr所指向的单元里存放的是常数PTHREAD_CANCELED。
    3. 如果thread线程是自己调用pthread_exit终止的,value_ptr所指向的单元存放的是传给pthread_exit的参数。 如果对thread线程的终止状态不感兴趣,可以传NULL给value_ptr参数。

函数功能:调用该函数的线程将被挂起等待,直到标识符为thread的线程结束运行。

  • pthread_exit() 函数原型:
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    void pthread_exit(void * retval);

    各参数含义:

    (1)retval是void *类型,其它线程可以调用pthread_join获得这个指针。需要注意,pthread_exit或者return返回的指针所指向的内存单元必须是全局的或者是由malloc分 配的,不能在线程函数的栈上分配,因为当其它线程得到这个返回指针时线程函数已经退出了。

    (2)pthread_exit函数通过retval参数向线程的回收者传递其退出信息。它执行之后不会返回到调用者,且永远不会失败。

3. 计算过程与线程互斥操作

假设线程数量为t,则可将上述公式中的N平均分为t份,每份交给一个线程运行,最后再将计算得到的结果进行累加,在这里需要注意,累加的过程中涉及到了对同一变量的修改,出现临界区的问题,需要加锁进行解决,可使用pthread_mutex_lock(&lock) 和 *pthread_mutex_unlock(&lock)*。

4. 编译命令示例

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gcc test.c –o test –lpthread

二、代码

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#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <time.h>

int N,t;//声明全局变量
double *pret;//指向计算结果的指针
double ret;//每个线程的返回值
pthread_mutex_t lock;//锁变量

double total_time[12];//存放程序运行时间
//此处是为了存放下面注释掉的12组对比实验结果

void* thread(void *ID);

double multiThread(int t, int N, double *p_time);

int main(){
printf("input N: ");
scanf("%d", &N);
printf("input t: ");
scanf("%d", &t);

double res = multiThread(t, N, &total_time[0]);
printf("t=%d, N=%d, pi=%.15lf, total_time=%lf\n", t, N, res, total_time[0]);

//以下代码分别测试线程数为2,4,6,8,
//计算量分别为100000,1000000,10000000时的结果和运行时间。
/*for(t = 2; t <= 8; t += 2){
N = 100000;
double res = multiThread(t, N, &total_time[(t/2)-1]);
printf("t=%d, N=%d, pi=%.15lf, total_time=%lf\n", t, N, res, total_time[(t/2)-1]);
}
printf("\n");

for(t = 2; t <= 8; t += 2){
N = 1000000;
double res = multiThread(t, N, &total_time[(t/2)-1]);
printf("t=%d, N=%d, pi=%.15lf, total_time=%lf\n", t, N, res, total_time[(t/2)-1]);
}
printf("\n");

for(t = 2; t <= 8; t += 2){
N = 10000000;
double res = multiThread(t, N, &total_time[(t/2)-1]);
printf("t=%d, N=%d, pi=%.15lf, total_time=%lf\n", t, N, res, total_time[(t/2)-1]);
}
printf("\n");*/


return 0;
}

double multiThread(int t, int N, double *p_time){
int check_create;//检查线程是否成功创建
int check_exit;//检查线程是否成功退出
double sum = 0.0;

clock_t start, finish;//程序运行的起止时间
//double total_time = 0.0;

pthread_t *threads;//线程标识数组
void** threads_ret;//存放每个线程返回结果的数组

threads = (pthread_t*)malloc(sizeof(pthread_t)*(t+1));//为每一个数组分配内存空间
threads_ret = (void*)malloc(sizeof(void*)*(t+1));

start = clock();//开始计时

for(int i = 0; i < t; i++){
check_create = pthread_create(&threads[i], NULL, thread, (void*)&i);//循环创建线程
if(check_create != 0){
printf("Thread creates failed\n");
exit(1);
}

check_exit = pthread_join(threads[i], &threads_ret[i]);//等待线程结束并携带计算结果返回
if(check_exit != 0){
printf("Thread exit failed\n");
exit(1);
}

pthread_mutex_lock(&lock);//执行累加操作前上锁
sum += (*(double*)threads_ret[i]);
pthread_mutex_unlock(&lock);//解锁
}

finish = clock();
*p_time = (double)(finish - start) / CLOCKS_PER_SEC;//计算总时间,单位ms


return sum;
}

void *thread(void *ID){
int id = *(int*)ID;//使用ID判断当前线程计算哪一组
ret = 0.0;//初始化结果

for(int i = (N/t)*id; i < (N/t)*(id+1); i++){
double tmp = (4 / (1+ ((i+0.5)/N)*((i+0.5)/N))) * (1.0/N);
ret += tmp;
}
pret = &ret;
pthread_exit((void*)pret);//退出线程并返回计算结果

}

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