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資料結構與 C++ 程式設計 進階. 多執行緒（ multi-thread ）程式設計. 大綱. 前言 執行緒（ thread ） 執行緒與平行程式設計（ Parallel Programming ） 第一支多執行緒程式 使用 Event 旗標 同步化問題（ Synchronization ） 使用 Critical Section. 前言. 程式 (Program) 儲存於硬碟中的可執行檔稱為 Program 行程 (Process) 載入記憶體中的可執行檔稱為 Process 執行緒 (Thread) - PowerPoint PPT Presentation
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資料結構與 C++ 程式設計進階
多執行緒（ multi-thread ）程式設計
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大綱 前言 執行緒（ thread ） 執行緒與平行程式設計（ Parallel
Programming ） 第一支多執行緒程式 使用 Event 旗標 同步化問題（ Synchronization ） 使用 Critical Section
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前言 程式 (Program)
儲存於硬碟中的可執行檔稱為 Program
行程 (Process) 載入記憶體中的可執行檔稱為 Process
執行緒 (Thread) Process 中一段程式碼的執行序列稱為 Thread ，是作
業系統能夠進行運算與排程的最小單位。
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執行緒（ thread ） 簡介
執行緒（ thread ）是被包含在行程（ Process ）中實際運作的單位。
一個行程中可以並行多個執行緒，而這些執行緒共用同一份行程的系統資源、名稱位址等等。
signal, fd, global var.. etc
Thread 1
Thread 2
Thread 3
Process 1
signal, fd, global var.. etc
Thread 1
Thread 2
Thread 3
Process 2
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執行緒與平行處理 平行程式設計（ Parallel Programming ）
將一項任務切成較小、並且可同時處理的子任務，在分配到多核心的處理器上以達到更高的效能。
單一執行緒與多執行緒程式比較
CPU0 CPU1
Process1
Time
CPU0 CPU1
Thread1
Time
Thread2
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使用 _beginthread() 產生執行緒 _beginthread ( 執行緒要執行的函式 , 堆疊大小 , 變數位址 ) ;
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第一支執行緒程式
#include <process.h> // thread API#include <stdio.h> #include <windows.h> // Sleep() APIvoid Thread( void* pParams ) { while(1) { printf("Thread and Data: %d\n", *(int *)pParams); Sleep(1000); }}int main () { int n = 5; _beginthread( Thread, 0, &n); while( 1 ) { printf("This is main() process.\n"); getchar(); } return 0;}
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小練習 01 呈上頁範例，試著使用 getch() 擷取鍵盤的 +, -
鍵，產生一個執行緒的使之可以產生一個時鐘的計數器。 參考範例：
http://w.csie.org/~r97944012/train/p10-thread-timer.exe
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一次產生多個執行緒
#include <process.h>#include <stdlib.h>#include <stdio.h> #define N 20
typedef struct _complex_data{ int iVal; double fVal;} cData;
// 重點一、多執行緒// 重點二、執行緒的資料傳遞方法（傳指標） void Thread( void* pParams ) { cData *pData = (cData *)pParams; printf("%d %.2lf\n", pData->iVal, pData->fVal);}
使用 _beginthread() 產生執行緒 _beginthread ( 執行緒要執行的函式 , 堆疊大小 , 變數位址 ) ;
int main () { int i; cData tData[N]; for(i = 0; i < N; i++) { tData[i].iVal = i; tData[i].fVal = i + 0.5; _beginthread( Thread, 0, &tData[i]); } printf("main()\n"); system("pause"); return 0;}
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使用 Event 旗標 呈上頁範例，我們發現 main() 的主行程並不會等
待所有的執行緒結束。 使用 Event 旗標等待 Thread 結束
(1) 宣告旗標變數 HANDLE 旗標變數 ;
(2) 初始化旗標 CreateEvent( 屬性 , 手動旗標 , 初始值 , 名稱 )
(3) 設定旗標 SetEvent( 旗標 );
(4) 等待信號 WaitForSingleObject( 旗標變數 , 等待時間 (ms 或 INFINITE)); WaitForMultipleObjects( 陣列大小 , 旗標變數陣列 , 等待所有旗標 , 等
待時間 )
Thread 2
Thread 1
Main process
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等待多個執行緒才終止主行程
#include <process.h>#include <stdlib.h>#include <windows.h>#include <stdio.h> #define N 20
HANDLE hEvent[N];typedef struct _complex_data{ int tID; int iVal; double fVal;} cData;
void Thread( void* pParams ) { cData *pData = (cData *)pParams; printf("%d %.2lf\n", pData->iVal, pData->fVal); SetEvent(hEvent[pData->tID]);}
使用 SetEvent() 搭配 WaitForMultipleObjects()int main () { int i; cData tData[N];
for(i = 0; i < N; i++) { hEvent[i] = CreateEvent( NULL, FALSE, FALSE, NULL ); tData[i].tID = i; tData[i].iVal = i; tData[i].fVal = i + 0.5; _beginthread( Thread, 0, &tData[i]); } WaitForMultipleObjects(N , hEvent, TRUE, INFINITE); printf("main()\n"); system("pause"); return 0;}
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小練習 02 矩陣運算
p11-matrix.cpp 是個可計算 500 x 500 的矩陣運算程式，試著建立 2~N 個 thread 將它進行平行計算，並試著估計一下優化的結果。
( 提示：若開啟 4 個 thread ，則將 C 矩陣拆成 1/4 運算。 )
A B C
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執行緒的同步化問題範例#include <process.h>#include <stdio.h>#define N 10000000int x; void ThreadJob( void* pParams ) { int i; for ( i = 0; i < N; i++ ) x = x+1; } int main () { _beginthread( ThreadJob, 0, NULL ); _beginthread( ThreadJob, 0, NULL ); while( 1 ) { printf("x = %d\n", x); getchar(); } return 0;}
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同步化問題（ Synchronization ） 上一頁的範例，會產生一個 race condition 的問題。 race condition 定義
兩個以上的行程（或執行緒）共用同一資源時，因為共用同一個系統資源，在進行存取時會「因為執行的順序不同，導致結果不一致。」
通常，在多個行程同時進行「寫入」的動作時，才會發生 race condition 。舉例來說，有兩個行程同時想要將記憶體中的 X 變數加上一，有可能發生下列兩種情形：
Read X = 1Add X with 1--Write X = 2-
--Read X = 1Add X with 1-Write X = 2
Process 1 Process 2
Read X = 1Add X with 1Write X = 2---
---Read X = 2Add X with 1Write X = 3
Process 1 Process 2
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同步化問題（ Synchronization ）之解決 要解決 race condition 導致執行緒之間的資料不同步的
問題。通常我們會將執行緒對於記憶體的存取改為atomic operation ：也就是「將讀取和寫入」某共享資源的動作，一次性的完成，並且期間不允許其他的行程打斷。
實作方式： (1) 宣告旗標變數
CRITICAL_SECTION cs;
(2) 初始化 InitializeCriticalSection( &cs );
(3) 將要設定為 atomic operation 的區域設為 critical section EnterCriticalSection( &cs ); // …… atomic operation LeaveCriticalSection( &cs );
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小練習 03 試著將投影片第 12 頁的範例加上 critical
section ，解決 race condition 的問題。
