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中山大学软件工程操作系统实验二报告

2019-07-13 06:16发布

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实验二 多线程程序实验

一、实验目的 1. 进一步理解线程 2. 学习使用pthread线程库
二、实验运行环境 虚拟机VMware下的Ubuntu16.04系统
三、实验内容 1. 用线程生成Fibonacci数列 2. 多线程矩阵乘法
四、实验原理 线程使用说明——主要系统调用： pthread_create():创建线程 pthread_join():阻塞调用线程，直到threadid所指定的线程终止 每个线程只能用pthread_join()一次。若多次调用就会发生逻辑错误。 pthread_exit():终止调用线程 pthread_attr_init():初始化线程属性为默认属性 pthread_attr_getscope():获得线程竞争范围 pthread_attr_setscope():设置线程竞争范围 使用pthread的程序编译命令： 若程序文件是main.c 传统命令为：gcc main.c -o main -lpthread 现在命令为：gcc main.c -o main -pthread 差别：后一个会选用线程安全的库实现 若程序文件是main.cc 传统命令为：g++ main.cc -o main -lpthread 现在命令为：g++ main.cc -o main -pthread 差别：后一个会选用线程安全的库实现
五、实验过程 1. 用线程生成Fibonacci数列 用pthread线程库，按照第四章习题4.11的要求生成并输出Fibonacci数列。 代码如下： #include #include using namespace std; int n;// the size of fibonacci array void *fibonacci(void *data) { int *a = (int*)data; // calculate the fibonacci array for (int i = 2; i < n; i++) { a[i] = a[i - 1] + a[i - 2]; } pthread_exit(NULL); } int main() { cout << "Please enter the number n(n>2):" << endl; cin >> n; while (n <= 2) { cout << "The number should be larger than 2." << endl; cout << "Please enter the number n(n>2):" << endl; cin >> n; } int a[1000]; // initial a[0] and a[1] a[0] = 0; a[1] = 1; pthread_t th; // create a thread to calculate pthread_create(&th, NULL, fibonacci, (void*)a); // a thread to be joined upon pthread_join(th, NULL); cout << "Fibonacci:" << endl; // output the result for (int i = 0; i < n; i++) { cout << a[i] << " "; } cout << endl; return 0; } 编译运行结果如下：
由于我限制了n的大小，只有当n大于2才输出Fibonacci数列。 这里写图片描述 输入9：
这里写图片描述 输入20：
这里写图片描述 根据上述实验结果可得出：程序正确，证明已实现用线程生成Fibonacci数列。
2. 多线程矩阵乘法 矩阵乘法：给定两个矩阵A和B，其中A是具有M行、K列的矩阵，B为K行、N列的矩阵，A和B的矩阵积为矩阵C，C为M行、N列的矩阵。矩阵C中第i行、第j列的元素Cij就是矩阵A第i行每个元素和矩阵B第j列每个元素乘积的和，即 这里写图片描述 要求：每个Cij的计算用一个独立的工作线程，因此它将会涉及生成M*N个工作线程。主线程（或称为父线程）将初始化矩阵A和B，并分配足够的内存给矩阵C，它将容纳矩阵A和B的积。这些矩阵将声明为全局数据，以使每个工作线程都能访问矩阵A、B和C。 代码如下： #include #include #include using namespace std; int M, K, N; // the size of matrix int A[100][100]; int B[100][100]; int C[100][100]; // structure for passing data to threads struct v { int i, j; }; // calculate the matrix product in C[row][col] void *calculate(void *data) { struct v *a = (struct v*)data; int i = a->i; int j = a->j; for (int k = 0; k < K; k++) { C[i][j] += A[i][k] * B[k][j]; } pthread_exit(NULL); } int main() { cout << "Please enter three numbers(M/K/N) that are less than 100:" << endl; cin >> M >> K >> N; cout << "Please enter the first matrix(M*K):" << endl; for (int i = 0; i < M; i++) { for (int j = 0; j < K; j++) { cin >> A[i][j]; } } cout << "Please enter the second matrix(K*N):" << endl; for (int i = 0; i < K; i++) { for (int j = 0; j < N; j++) { cin >> B[i][j]; } } for (int i = 0; i < M; i++) { for (int j = 0; j < N; j++) { C[i][j] = 0; } } pthread_t tid[M * N]; pthread_attr_t attr; // get the default attributes pthread_attr_init(&attr); // we have to create M*N pthreads for (int i = 0; i < M; i++) { for (int j = 0; j < N; j++) { struct v *a = (struct v*)malloc(sizeof(struct v)); a->i = i; a->j = j; pthread_create(&tid[i * N + j], &attr, calculate, (void*)a); } } // join upon each thread for (int i = 0; i < M * N; i++) { pthread_join(tid[i], NULL); } // output the result cout << "The result(M*N) is:" << endl; for (int i = 0; i < M; i++) { for (int j = 0; j < N; j++) { cout << C[i][j] << " "; if (j == N - 1) cout << endl; } } return 0; } 编译运行结果如下： 这里写图片描述 与MATLAB软件得出的结果作对比可得出实验结果正确： 这里写图片描述 再测试一组较大的数据：
运行结果如下图 这里写图片描述 与MATLAB软件得出的结果对比可得实验结果正确，证明用多线程实现矩阵乘法算法准确。 这里写图片描述
五、实验总结 总的来说，这次实验相对比较简单，根据课本的知识和老师的提示，可以很快就实现这两个实验内容。但是，我们不能仅仅满足于实验结果的正确，最重要的是我们要去理解线程的意义和作用，学习pthread线程库主要的几个系统调用：pthread_create(), pthread_join(), pthread_exit(), pthread_attr_init(), pthread_attr_getscope(), pthread_attr_setscope()。 通过这次实验，我进一步加深了对线程的理解，一个应用程序通常是作为一个具有多个控制线程的独立进程实现的，深刻体会到多线程的4个优点：响应度高、资源共享、经济、多处理器体系结构的利用。

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