同步屏障Barrier

最近写6s081实验写到了lab7，发现了有一个barrier的概念很有意思，查了查资料总结了一下。

同步屏障可以用来管理一个应用中的不同线程，在一个应用中设立一个Barrier，当有指定数目的线程到达该Barrier时，唤醒所有处于SLEEPING状态的线程，继续执行。但是如果此时没有达到指定数目，则线程进入到SLEEPING状态。

以下的代码直接在linux中就能运行，用到了linux中的UNIX pthread threading library。你能够通过在命令行中输入man pthreads获取相关信息。

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <pthread.h>static int nthread = 1;
static int round = 0;struct barrier {pthread_mutex_t barrier_mutex;pthread_cond_t barrier_cond;int nthread;      // Number of threads that have reached this round of the barrierint round;     // Barrier round
} bstate;static void
barrier_init(void)
{assert(pthread_mutex_init(&bstate.barrier_mutex, NULL) == 0);assert(pthread_cond_init(&bstate.barrier_cond, NULL) == 0);bstate.nthread = 0;
}static void
barrier()
{// YOUR CODE HERE//// Block until all threads have called barrier() and// then increment bstate.round.//pthread_mutex_lock(&(bstate.barrier_mutex));bstate.nthread++;if(nthread == bstate.nthread){bstate.nthread = 0;bstate.round++;pthread_cond_broadcast(&(bstate.barrier_cond));}else{pthread_cond_wait(&(bstate.barrier_cond),&(bstate.barrier_mutex));}pthread_mutex_unlock(&(bstate.barrier_mutex));}static void *
thread(void *xa)
{long n = (long) xa;long delay;int i;for (i = 0; i < 20000; i++) {int t = bstate.round;assert (i == t);barrier();usleep(random() % 100);}return 0;
}int
main(int argc, char *argv[])
{pthread_t *tha;void *value;long i;double t1, t0;if (argc < 2) {fprintf(stderr, "%s: %s nthread\n", argv[0], argv[0]);exit(-1);}nthread = atoi(argv[1]);tha = malloc(sizeof(pthread_t) * nthread);srandom(0);barrier_init();for(i = 0; i < nthread; i++) {assert(pthread_create(&tha[i], NULL, thread, (void *) i) == 0);}for(i = 0; i < nthread; i++) {assert(pthread_join(tha[i], &value) == 0);}printf("OK; passed\n");
}

代码中用到的一些锁：

pthread_mutex_t lock; // declare a lock
pthread_mutex_init(&lock, NULL); // initialize the lock
pthread_mutex_lock(&lock); // acquire lock
pthread_mutex_unlock(&lock); // release lock
pthread_cond_wait(&cond, &mutex); // go to sleep on cond, releasing lock mutex, acquiring upon wake up
pthread_cond_broadcast(&cond); // wake up every thread sleeping on cond

具体需要创建多少个线程通过命令行参数给出

$ make barrier
$ ./barrier 2
不同的设备需要通过自己的编译方式来编译

着重讲一讲barrier函数和barrier结构体


struct barrier {pthread_mutex_t barrier_mutex;pthread_cond_t barrier_cond;int nthread;      // Number of threads that have reached this round of the barrierint round;     // Barrier round
} bstate;static void
barrier()
{// YOUR CODE HERE//// Block until all threads have called barrier() and// then increment bstate.round.//pthread_mutex_lock(&(bstate.barrier_mutex));bstate.nthread++;if(nthread == bstate.nthread){bstate.nthread = 0;bstate.round++;pthread_cond_broadcast(&(bstate.barrier_cond));}else{pthread_cond_wait(&(bstate.barrier_cond),&(bstate.barrier_mutex));}pthread_mutex_unlock(&(bstate.barrier_mutex));}

在barrier函数中，最外层的锁是保证在我们对barrier进行操作时，不会有其他线程对barrier中的信息进行修改，因为bstate是公用的所以要避免竞态。

然后就是round和nthread这两个标志有什么用。

round是统一每个线程的轮次，注意thread函数中，thread在每次进入barrier前都要判断一下，自己持有的轮次是不是和当前bstate中的轮次是相同的。

为什们要这样做呢？假如说现在我有十个线程，但是barrier只要求同步5个，在线程每次轮询的时候都要将当前的轮次记录，但是在进入barrier前有可能已经有5个线程进入了，导致此时barrier所有的线程都运行了，此时持有上个轮次的线程就不应该进入barrier。

而nthread是用于记录进入barrier的线程的数目，用于在barrier中判断线程是进入SLEEPING还是唤醒。

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