这个多线程程序是否比非多线程程序执行得更好？

Question

我的一位同事让我为他写作业。虽然这样做不太合乎道德，但我还是认罪了。 问题是这样的： 用 C 编写一个程序，计算序列 1² + 2² + ... + n²。 假设 n 是 p 的倍数，p 是线程数。 这是我写的：

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

#define SQR(X) ((X) * (X))

int n, p = 10, total_sum = 0;

pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
/* Function prototype */
void *do_calc(void *arg);

int main(int argc, char** argv)
{
    int i;
    pthread_t *thread_array;
    printf("Type number n: ");
    fscanf(stdin, "%d", &n);

    if (n % p != 0 ) {
        fprintf(stderr, "Number must be multiple of 10 (number of threads)\n");
        exit(-1);
    }


    thread_array = (pthread_t *) malloc(p * sizeof(pthread_t));
    for (i = 0; i < p; i++)
        pthread_create(&thread_array[i], NULL, do_calc, (void *) i);
    for (i = 0; i < p; i++)
        pthread_join(thread_array[i], NULL);

    printf("Total sum: %d\n", total_sum);
    pthread_exit(NULL);
}

void *do_calc(void *arg)
{
    int i, local_sum = 0;
    int thr = (int) arg;
    pthread_mutex_lock(&mtx);
    for (i = thr * (n / p); i < ((thr + 1) * (n / p)); i++)
    local_sum += SQR(i + 1);
    total_sum += local_sum;
    pthread_mutex_unlock(&mtx);
    pthread_exit(NULL);
}

除了逻辑/句法的观点，我想知道：

1. 各个非多线程程序将如何执行
2. 我如何测试/查看它们的性能
3. 不使用线程的程序会是什么

提前致谢，我期待阅读您的想法

Answer 1

您在计算之前获取互斥锁。您应该在对局部值求和之前立即执行此操作。

pthread_mutex_lock(&mtx);
total_sum += local_sum;
pthread_mutex_unlock(&mtx);

Answer 2

这取决于你有多少 CPU。使用单个 CPU 内核，计算密集型程序永远不会在多线程下运行得更快。

此外，由于您是在持有锁的情况下完成所有工作，因此您最终只会在任何时候运行一个线程，因此它实际上是单线程的。

Answer 3

不要打扰线程等。事实上，根本不要在循环中做任何添加。只需使用这个公式：

∑(r = 1; n) r^2 = 1/6 * n (n + 1)(2 n + 1) [1]

[1]http://thesaurus.maths.org/mmkb/entry.html?action=entryById&id=1539

Answer 4

由于您的代码在实际计算中是由互斥体序列化的，因此它会比非线程版本慢。当然，您可以轻松地自己测试一下。

Answer 5

我会尝试看看这些计算需要多少。如果它只是一小部分时间，那么我可能会选择单个进程模型，因为为每个计算生成一个线程本身会产生一些开销。

Answer 6

要比较性能，只需记住程序启动时的系统时间，从 n=1000 调用它，然后在结束时查看系统时间。与非线程程序结果进行比较。 正如 bdonlan 所说，非线程会运行得更快

Answer 7

1) 单线程的性能可能会比这好一点，因为所有的计算都是在一个锁内完成的，而且锁的开销会增加总时间。最好只在将局部和添加到总和时锁定，或者将局部和存储在数组中并在主线程中计算总和。

2) 在代码中使用时序语句来测量算法期间经过的时间。在多线程情况下，只测量主线程上的经过时间。

3) 源自您的代码：

int i, total_sum = 0;
for (i = 0; i < n; i++)
  total_sum += SQR(i + 1);

Answer 8

一个更大的考虑因素是调度。实现内核端线程的最简单方法是让每个线程都获得相同的时间。进程只是拥有自己内存空间的线程。如果所有线程的时间相等，则添加一个线程会将您从 1/n 的时间缩短到 2/(n + 1) 的时间，这显然更好，因为 > 0 个不是您的其他线程。

不过，实际的实现可能而且确实有很大差异。

Answer 9

有点离题，但也许可以通过让每个线程将其结果写入数组元素来避免互斥锁（因此分配“results = calloc(sizeof(int), p)”（顺便说一句，“p”是一个糟糕的名字对于保存线程数的变量）和结果[thr] = local_sum），并让加入线程（嗯，main（））对结果进行求和。所以每个线程只负责计算它的总数：只有 main() 协调线程，将它们的数据连接在一起。关注点分离。

对于额外的功劳 (:p)，使用传递给 do_calc() 的 arg 作为传递线程 ID 和写入结果的位置的一种方式，而不是依赖于全局数组。