{ 3 }CPP_并行算法的尝试、识别线程以及共享数据带来的问题

一、并行算法初步尝试

template
struct accumulate_block
{
    void operator()(Iterator first,Iterator last,T& result)
    {
        result = std::accumulate(first, last, result);//累积所有任务块的总和
    }
};


template
T parallel_accumulate(Iterator first, Iterator last, T init)
{

    unsigned long const length = std::distance(first, last);//distance是计算两个iterator的距离。

    if(!length)
        return init;


    unsigned long const min_per_thread = 25;

    /*
     * 用范围内元素的总数量(length + min_per_thread)除以线程(块)中最小任务数，从而确定启动线程的最大数量。
     * 这样能避免无谓的计算资源的浪费。
     * */
    unsigned long const max_threads =
            (length+min_per_thread-1) / min_per_thread;


    unsigned long const hardware_threads =
            std::thread::hardware_concurrency();//返回能同时并发在一个程序中的线程数量


    /*
     * 计算量的最大值和硬件支持线程数中，较小的值为启动线程的数量。
     * 因为上下文频繁的切换会降低线程的性能，所以你肯定不想启动的线程数多于硬件支持的线程数量。
     *
     * 当 std::thread::hardware_concurrency() 返回0，你可以选择一个合适的数作为你的选择；在本例中,我选择了"2"。
     * 也就是说，无论如何都会开启两个线程
     * */
    unsigned long const num_threads =
            std::min(hardware_threads != 0 ? hardware_threads : 2, max_threads);


    //每个线程中处理的元素数量，是范围中元素的总量除以线程的个数得出的。
    unsigned long const block_size = length / num_threads;


    std::vector results(num_threads);//用于存放当前能开启的线程中，每个线程处理的任务块
    std::vector threads(num_threads-1);//存放总共能开启多少线程，因为在启动之前已经有了一个线程(主线程), 所以-1。

    Iterator block_start = first;
    for(unsigned long i=0; i < (num_threads-1); ++i)
    {

        Iterator block_end = block_start;

        std::advance(block_end, block_size);//block_end迭代器指向当前任务块的末尾

        threads[i] = std::thread(
                accumulate_block(),
                block_start, block_end, std::ref(results[i]) );//启动一个新线程为当前块累加结果

        block_start = block_end;//当迭代器指向当前块的末尾时，启动下一个块
    }

    /*
     * 启动所有线程后，线程会处理最终块的结果。对于分配不均，因为知道最终块是哪一个，那么这个块中有多少个元素就无所谓了。
     * */
    accumulate_block()(block_start,last,results[num_threads-1]);

    /*
     * 把容器中的thread对象逐个join
     * */
    std::for_each(threads.begin(),threads.end(),
            std::mem_fn(&std::thread::join));

    return std::accumulate(results.begin(),results.end(),init);//使用 std::accumulate 将所有结果进行累加
}

此程序的一些要求和缺点：

• 对于创建出results容器，需要保证T有默认构造函数。
• 当线程运行时，所有必要的信息都需要传入到线程中去，包括存储计算结果的位置。不过，有时候显得太麻烦，可以用识别线程的来解决，可以传递一个标识数，例如 i来标记线程在容器中的位置。不过，当需要标识的函数在调用栈的深层，同时其他线程也可调用该函数，那么标识数就会变的捉襟见肘。因此，标准库为每个线程附加了唯一标识符。

二、识别线程

线程标识类型是 std::thread::id，有两种方式可以获取它：

• 可以通过调用 std::thread 对象的成员函数 get_id() 获取线程标识。
• 在当前线程中调用 std::this_thread::get_id() 获取线程标识。

std::thread::id 的对象可以自由的拷贝和对比：

• 如果两个对象的 std::thread::id 相等，那它们就是同一个线程，或者都“没有线程”。
• 如果不等，那么就代表了两个不同线程，或者一个有线程，另一没有。

C++标准库允许程序员将 std::thread::id 的对象做为容器的键值，同时也提供std::hash 容器，所以 std::thread::id 也可以作为无序容器的键值。

三、共享数据带来的问题

当一个或多个线程要修改共享数据时，就会产生很多麻烦。
例子：
从一个列表中删除一个节点的步骤如下（不变量为此双链表）
a. 找到要删除的节点N
b. 更新前一个节点指向N的指针，让这个指针指向N的下一个节点
c. 更新后一个节点指向N的指针，让这个指正指向N的前一个节点
d. 删除节点N

image.png

b） 和 c） 在相同的方向上指向和原来已经不一致了，修改了共享数据，同时也破坏了不变量。在并发程序中，极有可能因为其他线程访问刚刚被删除的数据，而引发错误：条件竞争。

四、条件竞争

条件竞争的定义

如上例子，并发中竞争条件的形成，取决于一个以上线程的相对执行顺序，每个线程都抢着完成自己的任务，也被称为 “恶性条件竞争” 。

C++标准也定义了数据竞争这个术语：并发的去修改一个独立对象，数据竞争时可怕的未定义行为的起因。

如何避免恶性条件竞争？

1. 通过加锁或者无锁的方式来避免

• 使用C++标准库提供的互斥量，确保只有进行修改的线程才能看到不变量被破坏时的中间状态。
• 对数据结构和不变量的设计进行修改，修改完的结构必须能完成一系列不可分割的变化，也就是 保证每个不变量保持稳定的状态， 这就是所谓的无锁编程，不过会使得程序变得很复杂。

2.使用事务的方式去处理数据结构的更新

• 所需的一些数据和读取都存储在事务日志中，然后将之前的操作合为一步，再进行提交。 当数据结构被另一个线程修改后，或处理已经重启的情况下，提交就会无法进行 ， 这称作为“软件事务内存”（STM）。不过，C++没有对STM进行直接支持。