OpenMP: 多线程文件操作
项目背景：
为了提升项目的运行效率，考虑多线程技术。最近OpenMP技术很热，咱也凑凑热闹，也为了充分发挥电脑硬件的能力。
硬件：
酷睿2双核 2.2GHz
3G 内存
软件：
Visual Studio 2010 旗舰版
Windows 7 旗舰版 32bit
难点：
由于多个线程操作同一个文件，很有可能存在线程冲突。
OpenMP：
1. 必须的头文件 <omp.h>
2. #pragma omp 预处理指示符指定要采用OpenMP。 例如通过 #pragma om parallel for 来指定下方的for循环采用多线程执行，此时编译器会根据CPU的个数来创建线程数。对于双核系统，编译器会默认创建两个线程执行并行区域的代码。
示例代码：
#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <omp.h> // OpenMP编译需要包含的头文件
int main()
{
#pragma omp parallel for
for (int i = 0; i < 100; ++i)
{
std::cout << i << std::endl;
}
return 0;
}
3. OpenMP 常用库函数
函数原型 功能
int omp_get_num_procs(void) 返回当前可用的处理器个数
int omp_get_num_threads(void) 返回当前并行区域中活动线程的个数，如果在并行区域外部调用，返回1
int omp_get_thread_num(void) 返回当前的线程号（omp_get_thread_ID更好一些）
int omp_set_num_threads(void) 设置进入并行区域时，将要创建的线程个数
3.1 并行区域
#pragma omp parallel //大括号内为并行区域
{
//put parallel code here.
}
3.2 库函数示例
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
std::cout << "Processors Number: " << omp_get_num_procs() << std::endl;
std::cout << "Parallel area 1" << std::endl;
#pragma omp parallel
{
std::cout << "Threads number: " << omp_get_num_threads() << std::endl;
std::cout << "; this thread ID is " << omp_get_thread_num() << std::endl;
}
std::cout << "Parallel area 2" << std::endl;
#pragma omp parallel
{
std::cout << "Number of threads: " << omp_get_num_threads() << std::endl;
std::cout << "; this thread ID is " << omp_get_thread_num() << std::endl;
}
return 0;
}
3.3 for循环并行化的基本用法
3.3.1 数据不相关性
利用openmp实现for循环的并行化，需满足数据的不相关性。
在循环并行化时，多个线程同时执行循环，迭代的顺序是不确定的。如果数据是非相关的，那么可以采用基本的 #pragma omp parallel for 预处理指示符。
如果语句S2与语句S1相关，那么必然存在以下两种情况之一：
1. 语句S1在一次迭代中访问存储单元L，而S2在随后的一次迭代中访问同一存储单元，称之为循环迭代相关（loop carried dependence）；
2. S1和S2在同一循环迭代中访问同一存储单元L，但S1的执行在S2之前，称之为非循环迭代相关（loop-independent dependence）。
3.3.2 for循环并行化的几种声明形式
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
//声明形式一
#pragma omp parallel
{
#pragma omp for
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
std::cout << i << std::endl;
}
}
//声明形式二
#pragma omp parallel for
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
std::cout << i << std:: endl;
}
return 0;
}
上面代码的两种声明形式是一样的，可见第二种形式更为简洁。不过，第一种形式有一个好处：可以在并行区域内、for循环以外插入其他并行代码。
//声明形式一
#pragma omp parallel
{
std::cout << "OK." << std::endl;
#pragma omp for
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{
std::cout << i << std::endl;
}
}
//声明形式二
#pragma omp parallel for
//std::cout << "OK." << std::endl; // error!
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{
std::cout << i << std::endl;
}
3.3.3 for 循环并行化的约束条件
尽管OpenMP可以很方便地对for循环进行并行化，但并不是所有的for循环都可以并行化。下面几种情形的for循环便不可以：
1. for循环的循环变量必须是有符号型。例如，for(unsigned int i = 0; i < 10; ++i){...}编译不通过。
2. for循环的比较操作符必须是<, <=, >, >=。例如，for(int i = 0; i != 10; i++)编译不通过。
3. for循环的增量必须是整数的加减，而且必须是一个循环不变量。例如，for(int i = 0; i < 10; i = i+1)编译不通过，感觉只能++i, i++, --i, i--。
4. for循环的比较操作符如果是<, <=，那么循环变量只能增加。例如，for(int i = 0; i != 10; --i)编译不通过。
5. 循环必须是单入口，单出口。循环内部不允许能够达到循环以外的跳出语句，exit除外。异常的处理也不必须在循环体内部处理。例如，如循环体内的break或者goto语句，会导致编译不通过。
3.3.4 基本for循环并行化示例
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
int a[10] = {1};
int b[10] = {2};
int c[10] = {3};
#pragma omp parallel
{
#pragma omp for
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{
//c[i]只与a[i]和b[i]相关
c[i] = a[i] + b[i];
}
}
return 0;
}
3.3.5 嵌套for循环
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
#pragma omp parallel
{
#pragma omp for
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{
for(int j = 0; j < 10; ++j)
{
c[i][j] = a[i][j] + b[i][j];
}
}
}
return 0;
}
编译器会让第一个CPU完成
for(int i = 0; i < 5; ++i)
{
for(int j = 0; j < 5; ++j)
{
c[i][j] = a[i][j] + b[i][j];
}
}
让第二个CPU完成
for(int i = 5; i < 10; ++i)
{
for(int j = 5; j < 10; ++j)
{
c[i][j] = a[i][j] + b[i][j];
}
}
数据的共享和私有化
1. 引言
在并行区域内，若多个线程共同访问同一个存储单元，并且至少会有一个线程更新数据单元中的内容时，会发生数据竞争。本节的数据共享和私有化对数据竞争做一个初步探讨，后续会涉及同步、互斥的内容。
2. 并行区域内的变量的共享和私有
除了以下三种情况外，并行区域中的所有变量都是共享的：
> 并行区域中定义的变量
> 多个线程用来完成循环的循环变量
> private、firstprivate、lastprivate、reduction修饰的变量
例如，
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
int share_a = 0; // 共享变量
int share_to_private_b = 1;
#pragma omp parallel
{
int private_c = 2;
//通过private修饰后在并行区域内变为私有变量
#pragma omp for private(share_to_private_b)
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{//该循环变量是私有的，若为两个线程，则一个执行0<=i<5,另一个执行5<=i<10
std::cout << i << std::endl;
}
}
return 0;
}
3. 共享与私有变量声明的方法
private(val1, val2, ...) 并行区域中变量val是私有的，即每个线程拥有该变量的一个copy
firstprivate(val1, val2, ...) 与private不同，每个线程在开始的时候都会对该变量进行一次初始化
lastprivate(val1, val2, ...) 与private不同，并发执行的最后一次循环的私有变量将会copy到val
shared(val1, val2, ...) 声明val是共享的
4. private示例
如果使用private，无论该变量在并行区域外是否初始化，在进入并行区域后，该变量均不会初始化。
在VS2010下，会因为private所导致的私有变量未初始化而出现错误。例如：
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
//通过private修饰该变量之后在并行区域内变为私有变量，进入并行
//区域后每个线程拥有该变量的拷贝，并且都不会初始化
int shared_to_private = 1;
#pragma omp parallel for private(shared_to_private)
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{
std::cout << shared_to_private << std::endl;
}
return 0;
}
F5调试由于变量shared_to_rivate未初始化而崩掉。
5. firstprivate示例
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
//通过firstprivate修饰该变量之后在并行区域内变为私有变量，
//进入并行区域后每个线程拥有该变量的拷贝，并且会初始化
int share_to_first_private = 1;
#pragma omp parallel for firstprivate(share_to_first_private)
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{
std::cout << ++share_to_first_private << std::endl;
}
return 0;
}
运行程序，可以看到每个线程对应的私有变量share_to_first_private都初始化为1，并且每次循环各自增加1.
6. lastprivate示例
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
//通过lastprivate修饰后在并行区域内变为私有变量，进入并行区域
//后变为私有变量，进入并行区域后每个线程拥有该变量的拷贝，并且会初始化
int share_to_last_private = 1;
std::cout << "Before: " << share_to_last_private << std::endl;
#pragma omp parallel for lastprivate(share_to_last_private)firstprivate(share_to_last_private)
for(int i = 0; i < 11; ++i)
{
std::cout << ++share_to_last_private << std::endl;
}
std::cout << "After: " << share_to_last_private << std::endl;
return 0;
}
同样，仍然需要通过firstprivate来初始化并行区域中的变量，否则运行会出错。
在运行前后，share_to_last_private变量的值变了，其值最后变成最后一次循环的值，即多个线程最后一次修改的share_to_last_private(是share_to_last_private的copy)值会赋给share_to_last_private.
7. shared示例
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
int sum = 0;
std::cout << "Before: " << sum << std::endl;
#pragma omp parallel for shared(sum)
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{
sum += i;
std::cout << sum << std::endl;
}
std::cout << "After: " << sum << std::endl;
return 0;
}
上面的代码中，sum本身就是共享的，这里的shared的声明作为演示用。上面的代码因为sum是共享的，多个线程对sum的操作会引起数据竞争，后续在做介绍。
8. reduction的用法
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
int sum = 0;
std::cout << "Before: " << sum << std::endl;
#pragma omp parallel for reduction(+:sum)
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{
sum = sum + i;
std::cout << sum << std::endl;
}
std::cout << "After: " << sum << std::endl;
return 0;
}
其中sum是共享的，采用reduction之后，每个线程根据reduction(+:sum)的声明算出自己的sum，然后再将每个线程的sum加起来。
运行程序，发现第一个线程sum的值依次为0、1、3、6、10；第二个线程sum的值依次为5、11、18、26、35；最后10+35=45。
若果将其中reduction声明去掉，则会输出：
计算步骤如下：
第一个线程sum=0,第二个线程sum=5
第一个线程sum=2+12=14；第二个线程sum=7+14=21
第一个线程sum=3+21=24；第二个线程sum=8+24=32
第一个线程sum=4+32=36；第二个线程sum=9+36=45
尽管结果是对的，但是两个线程对共享的sum的操作时不确定的，会引发数据竞争，例如计算步骤可能如下：
第一个线程sum=0,第二个线程sum=5
第一个线程sum=1+5=6；第二个线程sum=6+6=12
第一个线程sum=2+12=14；第二个线程sum=7+14=21
第一个线程sum=3+21=24；第二个线程sum=8+21=29 //在第一个线程没有将sum更改为24时，第二个线程读取了sum的值
第一个线程sum=4+29=33；第二个线程sum=9+33=42 //导致结果错误。
9. reduction声明可以看作：
1. 保证了对sum的原则操作
2. 多个线程的执行结果通过reduction中声明的操作符进行计算，以加法操作符为例：
假设sum的初始化为10，reduction(+:sum)声明的并行区域中每个线程的sum初始化为0（规定），并行处理结束之后，会将sum的初始化值10以及每个线程所计算的sum值相加。
10. reduction的声明形式
其具体如下：
reduction(operator: val1, val2, ...)
其中operator以及约定变量的初始值如下：
运算符 数据类型 默认初始值
+ 整数、浮点 0
- 整数、浮点 0
* 整数、浮点 1
& 整数 所有位均为1
| 整数 0
^ 整数 0
&& 整数 1
|| 整数 0
1. 引言
在OpenMP中，线程同步机制包括互斥锁同步机制和事件同步机制。
2. 互斥锁同步
互斥锁同步的概念类似于Windows中的临界区（CriticalSection）以及Windows和Linux中的Mutex以及VxWorks中的SemTake和SemGive（初始化时信号量为满），即对某一块代码操作进行保护，以保证同时只能有一个线程执行该段代码。
3. atomic（原子）同步语法
#pragma omp atomic
x < + or * or - or * or / or & or | or << or >> >=expt
(例如，x<<=1; or x*=2;)
或
#prgma omp atomic
x++ or x-- or --x or ++x
可以看到atomic的操作仅适用于两种情况：
1. 自加减操作；
2. x<上述列出的操作符>=expr;
4. 示例
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
int sum = 0;
std::cout << "Before: " << sum << std::endl;
#pragma omp parallel for
for(int i = 0; i < 2000; ++i)
{
#pragma omp atomic
sum++;
}
std::cout << "After: " << sum << std::endl;
return 0;
}
输出2000，如果将#pragma omp atomic声明去掉，则结果不确定。
5. critical同步机制
本节介绍互斥锁机制的使用方法，类似于windows下的CriticalSection。
5.1 临界区声明方法
#pragma omp critical [(name)] //[]表示名字可选
{
//并行程序块，同时只能有一个线程能访问该并行程序块
}
例如，
#pragma omp critial (tst)
a = b + c;
5.2 critical与atomic的区别
临界区critical可以对某个并行程度块进行保护，atomic所能保护的仅为一句代码。
5.3 critical示例
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
int sum = 0;
std::cout << "Before: " << sum << std::endl;
#pragma omp parallel for
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{
#pragma omp critial (a)
{
sum = sum + i;
sum = sum + i*2;
}
}
std::cout << "After: " << sum << std::endl;
return 0;
}
线程同步之互斥锁函数
前文介绍了互斥锁同步的两种方法：atomic和critical，本章介绍OpenMP提供的互斥锁函数。互斥锁函数类似于Windows、Linux下的mutex。
1. 互斥锁函数
函数声明 功能
void omp_init_lock(omp_lock*) 初始化互斥器
void omp_destroy_lock(omp_lock*) 销毁互斥器
void omp_set_lock(omp_lock*) 获得互斥器
void omp_unset_lock(omp_lock*) 释放互斥器
void omp_test_lock(omp_lock*) 试图获得互斥器，如果获得成功则返回true，否则返回false
2. 互斥锁示例
#include <iostream>
#include <omp.h>
static omp_lock_t lock;
int main()
{
omp_init_lock(&lock); //初始化互斥锁
#pragma omp parallel for
for(int i = 0; i < 5; ++i)
{
omp_set_lock(&lock); //获得互斥器
std::cout << omp_get_thread_num() << "+" << std::endl;
std::cout << omp_get_thread_num() << "-" << std::endl;
omp_unset_lock(&lock); //释放互斥器
}
omp_destroy_lock(&lock); //销毁互斥器
return 0;
}
上边的示例对for循环中的所有内容进行加锁保护，同时只能有一个线程执行for循环中的内容。
线程1或线程2在执行for循环内部代码时不会被打断。如果删除代码中的获得锁释放锁的代码，则相当于没有互斥锁。
互斥锁函数中只有omp_test_lock函数是带有返回值的，该函数可以看作是omp_set_lock的非阻塞版本。
线程同步之事件同步机制
1. 引言
前边已经提到，线程的同步机制包括互斥锁同步和事件同步。互斥锁同步包括atomic、critical、mutex函数，其机制与普通多线程同步的机制类似。而事件同步则通过nowait、sections、single、master等预处理指示符声明来完成。
2. 隐式栅障
在开始之前，先介绍一下并行区域中的隐式栅障。
栅障（Barrier）是OpenMP用于线程同步的一种方法。线程遇到栅障时必须等待，直到并行的所有线程都到达同一点。
注意：
在任务分配for循环和任务分配section结构中隐含了栅障，在parallel, for, sections, single结构的最后，也会有一个隐式的栅障。
隐式的栅障。
隐式的栅障会使线程等到所有的线程继续完成当前的循环、结构化块或并行区，再继续执行后续工作。可以使用nowait去掉这个隐式的栅障。
3. nowait事件同步
nowait用来取消栅障，其用法如下：
#pragma omp for nowait //不能使用#pragma omp parallel for nowait
或
#pragma omp single nowait
示例：
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
#pragma omp parallel
{
#pragma omp for nowait
for(int i = 0; i < 1000; ++i)
{
std::cout << i << "+" << std::endl;
}
#pragma omp for
for(int j = 0; j < 10; ++j)
{
std::cout << j << "-" << std::endl;
}
}
return 0;
}
运行程序，可以看到第一个for循环的两个线程中的一个执行完之后，继续向下执行，因此同时打印了第一个循环的+和第二个循环的-。
如果去掉第一个for循环的nowait生命，则第一个for循环的两个线程都执行完之后，才开始同时执行第二个for循环。也就是说，通过#pragma omp for声明的for循环结束时有一个默认的隐式栅障。
4. 显示同步栅障 #pragma omp barrier
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
#pragma omp parallel
{
for(int i = 0; i < 100; ++i)
{
std::cout << i << "+" << std::endl;
}
#pragma om barrier
for(int j = 0; j < 10; ++j)
{
std::cout << j << "-" << std::endl;
}
}
return 0;
}
运行程序，可以看出两个线程执行了第一个for循环，当两个线程同时执行完第一个for循环之后，在barrier处进行了同步，然后执行后边的for循环。
5. master事件同步
通过#pragma om master来声明对应的并行程序块只有主线程完成。
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
#pragma omp parallel
{
#pragma omp master
{
for(int j = 0; j < 10; ++j)
{
std::cout << j << "-" << std::endl;
}
}
std::cout << "This will printed twice." << std::endl;
}
return 0;
}
运行程序，可以看到，进入parallel声明的并行区域之后，创建了两个线程。主线程执行了for循环，而另一个线程没有执行for循环，而直接进入了for循环之后的打印语句，然后执行for循环的线程随后还会再执行一次后边的打印语句。
6. sections用来指定不同的线程执行不同的部分
下面通过一个实例来说明其使用方法：
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
//声明该并行区域分为若干个section，section之间的运行顺序为并行
//的关系
#pragma omp parallel sections
for(int i = 0; i < 5; ++i)
{
std::cout << i << "+" << std::endl;
}
#pragma omp section //第一个section，由某个线程单独完成
for(int j = 0; j < 5; ++j)
{
std::cout << j << "-" << std::endl;
}
return 0;
}
可以看到，并行区域中有两个线程，所以两个section同时执行。
线程的调度优化
1. 引言
通过前边的介绍，知道了并行区域，默认情况下会自动生成与CPU个数相等的线程，然后并行执行并行区域中的代码。对于并行区域中的for循环有特殊的声明方式，这样不同的线程可以分别运行for循环变量的不同部分。通过锁同步（atomic、critical、mutex函数）或事件同步（nowait、single、section、master）来实现并行区域的同步控制。
那么系统是如何对线程进行调度的呢？具体的调度策略均有底层完成，本节介绍几种for可以在上层对for循环进行控制的调度策略。
2. 调度策略
调度策略 功能 适用场合
static 循环变量区域分为n等份，每个线程平分n份任务 各个cpu的性能差别不大
dynamic 循环变量区域分为n等份，某个线程执行完1份之后执行其他需要执行的 cpu之间运行能力差异很大
那一份任务
guided 循环变量区域由大到小分为不等的n份，运行方法类似dynamic 由于任务比dynamic不同，
所以可以减少调度开销
runtime 在运行时来适用上述三种调度策略中的一种，默认使用static
示例：
3.1. static
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
//static调度策略，for循环每两次迭代分为一个任务
#pragma omp parallel for schedule(static, 2)
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{
//被分为5个任务，其中循环0~1,4~5， 8~9分配给了第一个线程，
//其余的分配给第二个线程
std::cout << "thread id: " << omp_get_thread_num() << " value: " << i << std::endl;
}
return 0;
}
3.2. dynamic
#include <iostream>
#include <omp.h>
int main()
{
//dynamic调度策略，for循环每两次迭代分为一个任务
#pragma om parallel for schedule(dnamic, 2)
for(int i = 0; i < 10; ++i)
{
//分为5个任务，只要有任务并且线程空闲，那么该线程会执行该任务
std::cout << "thread id: " << omp_get_thread_num() << " value: " << i << std::endl;
}
return 0;
}
3.3. guided
guided调度策略与dynamic区别在于，所分的任务块是从大到小排列的。具体分块算法为：每块的任务大小为：【迭代次数/线程个数的二倍】。其中每个任务的最小迭代次数由guided声明设定，默认为1。
举例说明：
#pragma omp for schedule [guided, 80]
for(int i = 0; i < 800; ++i)
{
// .....
}
两个cpu，那么任务分配如下：
第一个任务： [800/(2*2)] = 200
第二个任务：第一个任务分了200，还有600，那么[600/(2*2)] = 150
第三个任务：第二个任务分了150，还有450，那么[450/2*2)] = 113
第四个人任务：第三个任务分了113，还有337，那么[337/(2*2)] = 85
第五个任务：第四个任务分了85，还有252，那么[252/(2*2)] = 63, 小于声明的80，那么这里为80
第六个任务：第五个任务分了80，还有172，根据声明，这里为80（因为会小于80）
第七个任务：第六个任务分了80，还有92，根据声明，这里为80（因为会小于80）
第八个任务：第七个任务分了80，还有12，根据声明，这里为12（因为不够80）