实验四并行结构实验

实验四并行结构实验实验目的观察SMP上多线程并发程序行为；了解并掌握消除SMP上cacheping-pong效应的方法；学习NUMA内存访存特性实验内容以一个计数程序作为起点，先简单并行化，然后修正其并发执行的同步问题、并发度问题、cache的ping-pong效应问题，最后形成一个比较理想的SMP并发程序。第二部分为选做部分，观察NUMA访存性能特性，掌握内存绑定方法。实验环境硬件：PC或任何一款具有cache的功能的计算机软件：Windows/Linux操作系统、C语言编译器实验步骤及相关说明要求学生学习SMP上的pthread库多线程编程，按要求编写程序代码逐步完成实验操作。1）编写一个完整程序用于统计一个数组中“M”字符出现的个数，统计核心样例代码如下：程序一核心统计代码（不含主函数、线程创建代码等）int*array;intlength;intcountintcount3s(){inti;count=0;for(i=0;ilength;i++){if(array[i]==3){count++;}}returncount;}编写完整程序，要求arrary元素足够多，256M以上，初始化为“MPMPMP…”模式。运行后记录执行时间。2）对上述程序完成多线程化的改造，用pthread编写多线程程序，每个线程所执行的统计代码以下列代码为起点：程序二线程化的核心统计代码（不含主函数、线程创建代码等）int*array;//待统计的数组intlength;//每个线程划分到的元素个数intcount;//统计出来的“M”个数intt;//线程数，取值为处理器核数voidcount3s_thread(intid)//id为创建线程时传入的线程号{/*computeportionofthearraythatthisthreadshouldworkon*/intlength_per_thread=length/t;//每个线程分担的元素个数intstart=id*length_per_thread;//本线程负责的数组下标起点for(i=start;istart+length_per_thread;i++)//遍历本线程负责的所有元素{if(array[i]==3){count++;//将总数增1}}}完成主程序设计，将数组array等分为几部分，每个部分由一个线程执行count3s_thread()统计“M”字符的出现次数——保存在count共享变量中，实现多线程并发统计的功能。按1、2、4、8、16个线程数量分别执行，记录各自所需的执行时间（绘制成柱状图）。3）执行上述程序，统计结果是否正确？如果不正确，请加上pthread的互斥锁mutext以解决其错误——每次访问count时先申请mutext，访问结束后释放mutex，从而实现互斥访问保证结果正确；mutexm;…..voidcount3s_thread(intid){/*computeportionofthearrraythatthisthreadshouldworkon*/intlength_per_thread=length/t;intstart=id*length_per_thread;for(i=start;istart+length_per_thread;i++){if(array[i]==3){mutex_lock(m);count++;mutex_unlock(m);}}按照1、2、4、8、16个线程数量运行，记录各自所需的执行时间。4）比较1）、3）的执行时间（绘制成柱状图），分析原因。将代码进一步改造为先将局部统计值记录在私有变量上，最后再统计总数，样例代码如下：private_count[MaxThreads];mutexm;voidcount3s_thread(intid){/*computeportionofarrayforthisthreadtoworkon*/intlength_per_thread=length/t;intstart=id*length_per_thread;for(i=start;istart+length_per_thread;i++){if(array[i]==3){private_count[id]++;}}mutex_lock(m);count+=private_count[id];mutex_unlock(m);}5）比较1）3）4）执行时间，分析结果，参考多核处理器间cache竞争引发的ping-pong效应，尝试消除该效应并检验是否获得性能提升。记录1、2、4、8、16个线程数目下的各自执行时间并与1）的时间相比较（绘制成柱状图）。附：选做实验学习线程和内存在NUMA节点/CPU的绑定编程接口。在NUMA平台上（例如我中心的D1主机）上完成线程与内存的不同绑定模式——本地访问和远程访问，测试各自所获得的内存带宽。实验过程及结果1)编写完成程序如下：#includeiostream#includetime.h#defineN1024*1024*256usingnamespacestd;chararray[N];intcountMs();intmain(){clock_tstart,end;inti;for(i=0;iN;i+=2){array[i]='M';array[i+1]='P';}start=clock();coutcountMs()endl;end=clock();coutTimeisend-startms.endl;return0;}intcountMs(){inti;intcount=0;for(i=0;iN;i++){if(array[i]=='M'){count++;}}returncount;}执行结果：结果分析：该实验为串行实验，数组大小为1024*1024*256，输出M的个数应该为134217728，结果正确，用时638708ms.2)完整代码：#includestdio.h#includetime.h#includepthread.h#includeunistd.h#defineN1024*1024*256//#defineNUM_THREADS8intNUM_THREADS=1;chararray[N];void*countMs_thread(void*id);intcount;intmain(){clock_tstart,end;inti,rc,t;scanf(%d,&NUM_THREADS);pthread_tthread[NUM_THREADS];for(i=0;iN;i+=2){array[i]='M';array[i+1]='P';}start=clock();for(t=0;tNUM_THREADS;t++){printf(Creatingthread%d\n,t);rc=pthread_create(&thread[t],NULL,countMs_thread,(void*)t);if(rc){printf(ERROR;returncodeis%d\n,rc);return0;}}for(t=0;tNUM_THREADS;t++)pthread_join(thread[t],NULL);end=clock();printf(Thereis%dM\n,count);printf(Timeis%dms.,end-start);return0;}void*countMs_thread(void*id)//id为创建线程时传入的线程号{inti;/*computeportionofthearraythatthisthreadshouldworkon*/intlength_per_thread=N/NUM_THREADS;//每个线程分担的元素个数intstart=(int)id*length_per_thread;//本线程负责的数组下标起点for(i=start;istart+length_per_thread;i++)//遍历本线程负责的所有元素{if(array[i]=='M'){count++;//将总数增1}}}执行结果：核数124816时间（ms）6816583095707604489212693759242704510500000010000000150000002000000025000000124816时间结果分析：程序二采用简单的简单采用pthread并行执行.当核数等于1时，对M的统计结果正确，时间与程序串行执行的时间相当。当核数大于1时，计算结果不再正确，而且随着核数的增加执行时间增加。由于对全局变量count的访问不是互斥的，一个线程访问的同时可能另一个线程也来访问这个变量，导致结果错误。3)完整代码：#includestdio.h#includetime.h#includepthread.h#includeunistd.h#defineN1024*1024*256//#defineNUM_THREADS8intNUM_THREADS=1;chararray[N];void*countMs_thread(void*id);intcount;pthread_mutex_tm;intmain(){clock_tstart,end;start=clock();inti,rc,t;pthread_mutex_init(&m,NULL);scanf(%d,&NUM_THREADS);pthread_tthread[NUM_THREADS];for(i=0;iN;i+=2){array[i]='M';array[i+1]='P';}start=clock();for(t=0;tNUM_THREADS;t++){//printf(Creatingthread%d\n,t);rc=pthread_create(&thread[t],NULL,countMs_thread,(void*)t);if(rc){printf(ERROR;returncodeis%d\n,rc);return0;}}for(t=0;tNUM_THREADS;t++)pthread_join(thread[t],NULL);end=clock();pthread_mutex_destroy(&m);printf(Thereis%dM\n,count);printf(Timeis%dms.,end-start);return0;}void*countMs_thread(void*id)//id为创建线程时传入的线程号{inti;/*computeportionofthearraythatthisthreadshouldworkon*/intlength_per_thread=N/NUM_THREADS;//每个线程分担的元素个数intstart=(int)id*length_per_thread;//本线程负责的数组下标起点for(i=start;istart+length_per_thread;i++)//遍历本线程负责的所有元素{if(array[i]=='M'){pthread_mutex_lock(&m);count++;pthread_mutex_unlock(&m);//将总数增1}}}执行结果:核数124816时间3002031155129719184479675104041138726840020000000400000006000000080000000100000000120000000140000000124816时间结果分析：加上pthread的互斥锁mutext后，每次访问count时先申请mutext，访问结束后释放mutex，从而实现互斥访问，计算M的个数均为134217728，保证计算结果正确。但是同时可以看到虽然核数增多了，但是计算速度并没有加快，反而比串行