多线程矩阵乘法

作业要求：利用多线程编程，分别在Windows和Linux下实现矩阵的乘法。

分析：Linux多线程和Windows下多线程实现原理基本相同，只是系统提供的API不同。事实上，Windows下如果不适用windows提供的API，而是使用GUN编译器自带的pthread接口API，其接口函数与linux是相同的。由于作业要求，windows下的程序使用windows.h提供的接口函数进行开发。

矩阵乘法的工作是一个O(n^4)时间复杂度的运算，运算量随n的增长急速上升，故在进行大规模矩阵乘法时可利用cpu的多线程来进行并行运算。

Windows下的多线程矩阵乘法

测试系统：windows10

IDE：codeblocks

头文件：windows.h

语言：c++格式进行代码，因为windows的API是为c++提供的，要用到引用概念

• 主函数核心代码

int main{

......

InitializeCriticalSection(&cs);

HANDLE thread1 = CreateThread(NULL, NULL, MultWork, NULL, NULL, NULL);

......

WaitForSingleObject(thread1, INFINITE);

......

}

InitializeCriticalSection(&cs)为互斥锁的初始化函数，cs是CRITICAL_SECTION类型的锁变量，本程序中作为全局变量出现

其中：

thread1为句柄对象的线程名，创建4个意味同时建立四个线程

CreatThread函数为windowsAPI提供的线程创建函数，说明如下：

第一个参数表示线程内核对象的安全属性，一般传入NULL表示使用默认设置。

第二个参数表示线程栈空间大小。传入0表示使用默认大小（1MB）。

第三个参数表示新线程所执行的线程函数地址，多个线程可以使用同一个函数地址。

第四个参数是传给线程函数的参数。

第五个参数指定额外的标志来控制线程的创建，为0表示线程创建之后立即就可以进行调度，如果为CREATE_SUSPENDED则表示线程创建后暂停运行，这样它就无法调度，直到调用ResumeThread()。

第六个参数将返回线程的ID号，传入NULL表示不需要返回该线程ID号。

函数返回值：成功返回新线程的句柄，失败返回NULL。

WaitForSingleObject为等待对象函数，参数一为句柄类型的对象，参数二为最大等待时长。

• 工作函数核心代码

DWORD WINAPI MultWork(LPVOID pM){

......

EnterCriticalSection(&cs);

......

LeaveCriticalSection(&cs);

......

ExitThread(NULL);

}

EnterCriticalSection(&cs)和LeaveCriticalSection(&cs)为互斥锁的加锁和解锁函数，在这两个函数中间的代码或指令为临界值，用于保护读写。cs需要初始化。

ExitThread(NULL)函数是线程结束函数，参数为该线程调用的退出函数。

• 矩阵乘法功能实现

为方便实现矩阵乘法，本程序配套矩阵创建函数、矩阵打印函数、矩阵C单个单元计算函数。创建矩阵使用用随机数填写空位的方法。在线程工作函数的代码中，需要解决的主要问题有：

a.乘法任务的分配问题

对于本问题，程序有两种设计方法。

一种是预先分配好任务，如在4线程下将任务强制划分为4部分，进行计算。这样分配有两个主要的问题：一是定态的分配任务在任务量较小、如只有三个单元需计算的情况下很难设计算法，使代码量增大；二是在大量数据需计算时，可能会出现线程未同步完成，先完成的线程等后线程的情况，浪费CPU资源。

二是动态分配任务。在已知C矩阵row和col之后生产C矩阵的同时，生成一个_C矩阵，将该矩阵所有单元置NULL。线程作业时循环以下步骤：

a.加互斥锁进入临界区，检查_C矩阵中离开头最近的NULL单元，将其置1；若没有这样的单元，置结束标flag为1，退出临界区去锁；

b.在C矩阵中对应位置，计算该位置数据值，并将该数据值更新到其位置；若无数据可计算，退出线程。

这种方法优势在于动态分配，劣势在于占用部分内存存放_C矩阵以及临界区计算占用CPU。在进行大规模运算时可以有效提高效率。

• 源码如下

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <time.h>#include <windows.h>typedef struct{    int x;}unit;typedef struct{    int row;    int col;    unit *x;}matrix;matrix A,B,C,_C;CRITICAL_SECTION cs;matrix CreatMatrix(int row, int col)      //row是行数，col是列数，即矩阵为row*col{    matrix target;    int i,j;    int data;    //target = (matrix *)malloc(sizeof(matrix));    target.row=row;    target.col=col;    target.x=(unit *)malloc(row*col*sizeof(unit));    for(i=0;i<row;i++)        for(j=0;j<col;j++)        {            data = rand()%100;            (target.x+i*target.col+j)->x = data;        }    return target;}int CalcuOneUnit(int first,int second){    int i,res = 0;    //EnterCriticalSection(&cs);    //printf("%d,%d is working\n",first,second);    //LeaveCriticalSection(&cs);                    这里用于测试线程运行状态    for(i = 0;i<A.col;i++)        res += (A.x+first*A.col+i)->x * (B.x+i*B.col+second)->x;    return res;}DWORD WINAPI MultWork(LPVOID pM){    while(1)    {        int firstNum;        int secondNum;        int res,i,j,flag = 0,close = 0;        EnterCriticalSection(&cs);        for(i = 0;i<_C.row;i++)        {            for(j = 0;j<_C.col;j++)            {                if((_C.x+i*_C.col+j)->x == NULL)                {                    firstNum = i;                    secondNum = j;                    (_C.x+i*_C.col+j)->x = 1;                    close = 1;                    break;                }            }            if(close == 1)                break;            else if(i == _C.row-1)                flag = 1;        }        LeaveCriticalSection(&cs);        if(flag == 1)            ExitThread(NULL);        res = CalcuOneUnit(firstNum,secondNum);        (C.x+firstNum*C.col+secondNum)->x = res;    }    ExitThread(NULL);}void ShowMatrix(matrix shows){    int row = shows.row;    int col = shows.col;    int i,j;    for(i = 0;i<row;i++)    {        for(j = 0;j<col;j++)            printf("%d\t",(shows.x+i*col+j)->x);        printf("\n");    }}int main(){    int row,col;    int i;    printf("     最简单的创建多线程实例\n");    srand((unsigned)time(NULL));    printf("请输入矩阵A的行列数：\n");    scanf("%d %d",&row,&col);    printf("________矩阵A为_______：\n");    A=CreatMatrix(row,col);    //ShowMatrix(A);    printf("请输入矩阵B的行列数：\n");    scanf("%d %d",&row,&col);    printf("________矩阵B为_______：\n");    B=CreatMatrix(row,col);    //ShowMatrix(B);    if(A.col != B.row)    {        printf("error input");        return 1;    }    C = CreatMatrix(A.row,B.col);    for(i = 0;i<C.col*C.row;i++)        (C.x+i)->x = NULL;    _C = CreatMatrix(A.row,B.col);    for(i = 0;i<_C.col*_C.row;i++)        (_C.x+i)->x = NULL;    InitializeCriticalSection(&cs);    HANDLE thread1 = CreateThread(NULL, NULL, MultWork, NULL, NULL, NULL);    HANDLE thread2 = CreateThread(NULL, NULL, MultWork, NULL, NULL, NULL);    HANDLE thread3 = CreateThread(NULL, NULL, MultWork, NULL, NULL, NULL);    HANDLE thread4 = CreateThread(NULL, NULL, MultWork, NULL, NULL, NULL);    WaitForSingleObject(thread1, INFINITE);    WaitForSingleObject(thread2, INFINITE);    WaitForSingleObject(thread3, INFINITE);    WaitForSingleObject(thread4, INFINITE);    printf("________矩阵C为_______：\n");    //ShowMatrix(C);    system("pause");    return 0;}

Linux下的多线程矩阵乘法

系统：Kali Linux

IDE：codeblocks

语言：纯C

Linux使用自己的多线程函数，程序整体逻辑与windows下没有区别，只需更换头文件为pthread.h并使用对应接口函数。

注意，cpp需要用g++编译，并加编译条件-lpthread，否则会找不到ptread相关的函数。

• Linux下线程控制相关函数

pthread_t thread1 thread1变量为线程编号类型，一般为unsigned int类型，但在某些情况下会有区别。

pthread_mutex_t mutex mutex变量为互斥锁，需要初始化。

pthread_mutex_init(&mutex,NULL) 函数为互斥锁初始化函数，两个参数。第一个参数 mutex 是指向要初始化的互斥锁的指针；第二个参数 mutexattr 是指向属性对象的指针，该属性对象定义要初始化的互斥锁的属性。如果该指针为 NULL，则使用默认的属性。

pthread_mutex_lock(&mutex)和pthread_mutex_unlock(&mutex) 用于给临界变量加锁和解锁，参数为互斥锁变量。

pthread_create(&thread1,NULL,MultWork,NULL) 用于创建线程，参数具体内容如下：

第一个参数thread：线程标识符；

第二个参数attr：线程属性设置；

第三个参数start_routine：线程函数的起始地址；

第四个参数arg：传递给start_routine的参数；

pthread_join(thread1,NULL) 等待一个线程结束，第一个参数为目标线程号，第二个参数为目标线程退出信息的存储位置。

pthread_exit(NULL) 结束当前线程，参数是pthread_exit()调用线程的返回值，可由其他函数如pthread_join来检索获取。

• 程序结构

Linux下函数结构和实现方式与windows下基本相同，不再赘述

• 程序源码

#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <time.h>#include <pthread.h>typedef struct{    int x;}unit;typedef struct{    int row;    int col;    unit *x;}matrix;matrix A,B,C,_C;pthread_mutex_t mutex;matrix CreatMatrix(int row, int col)      //row是行数，col是列数，即矩阵为row*col{    matrix target;    int i,j;    int data;    //target = (matrix *)malloc(sizeof(matrix));    target.row=row;    target.col=col;    target.x=(unit *)malloc(row*col*sizeof(unit));    for(i=0;i<row;i++)        for(j=0;j<col;j++)        {            data = rand()%100;            (target.x+i*target.col+j)->x = data;        }    return target;}int CalcuOneUnit(int first,int second){    int i,res = 0;    //pthread_mutex_lock(&mutex);    //printf("%d,%d is working\n",first,second);    //pthread_mutex_unlock(&mutex);                    //这里用于测试线程运行状态    for(i = 0;i<A.col;i++)        res += (A.x+first*A.col+i)->x * (B.x+i*B.col+second)->x;    return res;}void * MultWork(void *param){    while(1)    {        int firstNum;        int secondNum;        int res,i,j,flag = 0,close = 0;        pthread_mutex_lock(&mutex);        for(i = 0;i<_C.row;i++)        {            for(j = 0;j<_C.col;j++)            {                if((_C.x+i*_C.col+j)->x == NULL)                {                    firstNum = i;                    secondNum = j;                    (_C.x+i*_C.col+j)->x = 1;                    close = 1;                    break;                }            }            if(close == 1)                break;            else if(i == _C.row-1)                flag = 1;        }        pthread_mutex_unlock(&mutex);        if(flag == 1)            pthread_exit(NULL);        res = CalcuOneUnit(firstNum,secondNum);        (C.x+firstNum*C.col+secondNum)->x = res;    }    pthread_exit(NULL);}void ShowMatrix(matrix shows){    int row = shows.row;    int col = shows.col;    int i,j;    for(i = 0;i<row;i++)    {        for(j = 0;j<col;j++)            printf("%d\t",(shows.x+i*col+j)->x);        printf("\n");    }}int main(){    int row,col;    int i;    pthread_t thread1,thread2,thread3,thread4;    printf("Simple example \n");    srand((unsigned)time(NULL));    printf("input row and col of Matrix A :\n");    scanf("%d %d",&row,&col);    printf("Matrix A is :\n");    A=CreatMatrix(row,col);    ShowMatrix(A);    printf("input row and col of Matrix B :\n");    scanf("%d %d",&row,&col);    printf("Matrix B is :\n");    B=CreatMatrix(row,col);    ShowMatrix(B);    if(A.col != B.row)    {        printf("error input");        return 1;    }    C = CreatMatrix(A.row,B.col);    for(i = 0;i<C.col*C.row;i++)        (C.x+i)->x = NULL;    _C = CreatMatrix(A.row,B.col);    for(i = 0;i<_C.col*_C.row;i++)        (_C.x+i)->x = NULL;    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);    pthread_create(&thread1,NULL,MultWork,NULL);    pthread_create(&thread2,NULL,MultWork,NULL);    pthread_create(&thread3,NULL,MultWork,NULL);    pthread_create(&thread4,NULL,MultWork,NULL);    pthread_join(thread1,NULL);    pthread_join(thread2,NULL);    pthread_join(thread3,NULL);    pthread_join(thread4,NULL);    printf("Matrix C is :\n");    ShowMatrix(C);    return 0;}