Openmp多線程編程練習

本文轉載自查看原文 2019-11-07 16:44 338 C++/ openmp

環境配置

一般使用Visual Studio2019來作為openmp的編程環境

調試-->屬性-->C/C++-->所有選項-->Openmp支持改為是(可以使用下拉菜單)

嚴重性代碼說明項目文件行禁止顯示狀態禁止顯示狀態
錯誤 C2338 C++/CLI、C++/CX 或 OpenMP 不支持兩階段名稱查找；請使用 /Zc:twoPhase- 多線程 C:\Users\tonyson_in_the_rain\source\repos\多線程\多線程\c1xx 1

如果報錯,再在屬性菜單中找到C/C++ --> 語言 -->符合模式下拉菜單中選擇"否"

}MCU$(Y)V@6SJLM@9}H7BP6

第一個程序

omp_get_thread_num()返回線程的編號
pragma omp parallel 用作注釋的形式,即使沒有openmp功能的編譯環境也能夠串行地正常執行程序.

#include "stdio.h"
#include "omp.h"
#include "windows.h"

int  main()
{
	printf("Hello from serial.\n");
	printf("Thread number = %d\n", omp_get_thread_num());  //串行執行
	Sleep(1000);

#pragma omp parallel                                        //開始並行執行
	{
		printf("Hello from parallel. Thread number=%d\n", omp_get_thread_num());
		Sleep(1000);
	}

	printf("Hello from serial again.\n");
	return 0;
}

運行結果如下:

開始是串行,主線程的號為0,之后的1 2 3為子線程

循環

要求是for循環,而且必須能知道具體的循環次數.不能夠使用break和return語句.

for循環的第一步是任務划分,如果有4個線程,100次循環,那么線程0就分配到了1-25次循環,然后線程1分配到26-50次,以此類推.

數據的相關性

int x[100], y[100], k, m;
	x[0] = 0;
	y[0] = 1;
#pragma omp parallel for private(k) 
	for (k = 1; k < 100; k++) {
		x[k] = y[k - 1] + 1; //S1
		y[k] = x[k - 1] + 2; //S2 
		printf("x[%d]=%d thread=%d\n", k, x[k], omp_get_thread_num());
		printf("y[%d]=%d thread=%d\n", k, y[k], omp_get_thread_num());
	}
	printf("y=%d\n", y[99]);
	printf("x=%d\n", x[99]);

這樣的話,如果分配好后4個線程並行,那么1號線程計算時,變量用的是前一次的結果,但是前一次操作還沒有進行,變量還沒有初始化直接就運行,程序會出錯.

提供一個改寫方法,這個方法不受線程數量的影響,最終只能划分為兩份,因為划分以迭代次數為最小單位,而for循環最外層只循環兩次,所以最多只能划分成兩份.

#pragma omp parallel for private(m, k) 
	for (m = 0; m < 2; m++)
	{
		for (k = m * 50 + 1; k < m * 50 + 50; k++)
		{
			x[k] = y[k - 1] + 1; //S1     
			y[k] = x[k - 1] + 2; //S2 
			printf("x[%d]=%d thread=%d\n", k, x[k], omp_get_thread_num());
			printf("y[%d]=%d thread=%d\n", k, y[k], omp_get_thread_num());
		}
	}

多重循環

並不是所有的for循環都會並行化,只有緊挨着編譯指導語句pragma omp parallel for的for循環會並行化

int i;int j;
    #pragma omp parallel for private(j)   //可以嘗試去掉private語句，查看程序執行結果
	for(i=0; i<2; i++)
		for(j=6; j<10; j++)
			printf( "i=%d j=%d\n", i , j);
	printf("######################\n");
	for(i=0; i<2; i++)
        #pragma omp parallel for
		for(j=6; j<10; j++)
			printf( "i=%d j=%d\n", i , j );

上面部分運行結果:

其中一個線程獲得了i=0時的任務,而另一個獲得了i=1的迭代任務,j是串行的

如果去掉private:

如果不不用private,那么j就變成了共享的變量,兩個線程並行就會出現錯誤,而編譯指導語句后面的for循環中的i變量默認是私有變量,所以可以正常執行.

下面部分的運行結果:

下面

規約操作

會反復地把一個二元運算符應用在一個變量和另外一個值上,比如數組求和

int  main()
{
	int arx[100], ary[100], n = 100, a = 0, b = 0;
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		arx[i] = 1;  ary[i] = 1;
	}
# pragma omp parallel for reduction(+:a,b)//可以去掉reduction子句，對比線程處理過程中的不同
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		a = a + arx[i];
		b = b + ary[i];
		printf("a=%d i= %d thread=%d\n", a, i, omp_get_thread_num());
		printf("b=%d i= %d thread=%d\n", b, i, omp_get_thread_num());
	}
	printf("a=%d b= %d thread=%d\n", a, b, omp_get_thread_num());
}

運算符	數據類型	默認初始值
+	整數，浮點	0
*****	整數，浮點	1
-	整數，浮點	0
&	整數	所有位都開啟，~0
\|	整數	0
^	整數	0
&&	整數	1
\|\|	整數	0

可以使用的規約操作

私有變量的初始化和終結

firstprivate把變量初始的值的帶進來,取自原來同名變量的值
lastprivate把變量的值帶回去(將最后一次循環的相應變量賦給val

#include "stdio.h"
#include "omp.h"
#include "windows.h"


int  main()
{
	int val = 8;
#pragma omp parallel for firstprivate(val)  lastprivate(val) //此處可充分改變private語句，觀察程序執行結果
	for (int i = 0; i < 4; i++)  //可以改變循環次數，得到不同的最終值，如：i<7
	{
		printf("i=%d val=%d thread=%d\n", i, val, omp_get_thread_num());
		if (i == 2)
			val = 10000;
		if (i == 3)
			val = 11111;
		printf("i=%d val=%d thread=%d\n", i, val, omp_get_thread_num());
	}
	printf("val=%d\n", val);
}

最后迭代時i=3,val=11111,所以最后帶回去11111即可.

數據相關性與並行化操作

int main()
{
#pragma omp parallel
	for (int i = 0; i < 5; i++)
		printf("hello world i=%d\n", i);
	printf("###########################\n");
#pragma omp parallel for
	for (int i = 0; i < 5; i++)
		printf("hello world i=%d\n", i);
}

上面是普通的並行操作,下面是for循環的並行化,輸出如下:

hello world i=0
hello world i=1
hello world i=2
hello world i=3
hello world i=4
hello world i=0
hello world i=1
hello world i=0
hello world i=1
hello world i=0
hello world i=1
hello world i=2
hello world i=3
hello world i=4
hello world i=2
hello world i=3
hello world i=4
hello world i=2
hello world i=3
hello world i=4
###########################
hello world i=0
hello world i=1
hello world i=4
hello world i=3
hello world i=2

上邊的實際上就是重復了這個任務,4個線程重復執行相同的任務,而下面就是for循環的並行.

私有全局變量

threadprivate 每個線程有一個私有的副本,相互不要干擾

#include "stdio.h"
#include "omp.h"
#include "windows.h"
int counter = 50;   //using threadprivate
#pragma omp threadprivate(counter)
void inc_counter() {
	counter++;
}
int main()
{
#pragma omp parallel //注釋上面的threadprivate子句，查看求和結果
	{
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
			inc_counter();
		printf("counter=%d\n", counter);
	}
}

正確的執行結果

counter=10050
counter=10050
counter=10050
counter=10050

如果注釋掉#pragma omp threadprivate(counter)

並行區域編程

說的就是一個普通的並行區域的編譯指導語句

pragma omp parallel

子句 private shared default reduction if copyin

並行區域編譯指導語句的使用限制
程序塊必須是只有單一入口和單一出口的程序塊
不能從外面轉入到程序塊的內部，也不允許從程序塊內部有多個出口轉到程序塊之外
程序塊內部的跳轉是允許的
程序塊內部直接調用exit函數來退出整個程序的執行也是允許的

// OpenMP2.cpp : 定義控制台應用程序的入口點。
//

#include "stdio.h"
#include "omp.h"
#include <windows.h>    //使用Sleep()函數需要包含此頭文件

int counter = 0;
#pragma omp threadprivate(counter)
void inc_counter() {
	counter++;
}

int main()
{
#pragma omp parallel //注釋上面的threadprivate子句，查看求和結果
	{
		for (int i = 0; i < 10000; i++)
			inc_counter();
		printf("counter=%d\n", counter);
	}
	return 0;
}
/*
counter=10000
counter=30162
counter=20000
counter=39535
*/

/*
counter=10000
counter=10000
counter=10000
counter=10000
*/

copyin 可以把變量的值初始化到每個子線程的副本里面

// OpenMP2.cpp : 定義控制台應用程序的入口點。
//

#include "stdio.h"
#include "omp.h"
#include <windows.h>    //使用Sleep()函數需要包含此頭文件

int global;
#pragma omp threadprivate(global)  ///?????????
int  main()
{
	global = 1000;
#pragma omp parallel copyin(global) 
	{
		printf("global=%d, thread=%d\n", global, omp_get_thread_num());
		global = omp_get_thread_num();
		printf("global=%d, thread=%d\n", global, omp_get_thread_num());
	}
	printf("global=%d\n", global);
	printf("parallel again\n");
#pragma omp parallel 
	printf("global=%d\n", global); 

	

	return 0;
}

為什么是0呢?因為global是問的主線程的global,已經由主線程改成了0,而其他的線程中的global還保存着原來的值.

工作共享

工作隊列不斷從隊列中取出標識號來完成

根據線程號分配任務

	//程序段12(OMP_NUM_THREADS=4)
	/*   global=1000;
	#pragma omp parallel copyin(global) 
	{
	    printf("global=%d, thread=%d\n",global,omp_get_thread_num());
	    global=omp_get_thread_num();      
		printf("global=%d, thread=%d\n",global,omp_get_thread_num());
	}
	printf("global=%d\n",global);
	printf("parallel again\n");
	#pragma omp parallel 
		printf("global=%d\n",global);*/
	
	//使用copyin()子句的變量必須通過threadprivate()聲明，
	//parallel后可以使用private()子句、firstprivate()子句，不能使用lastprivate()子句
	/*int g=100;
	#pragma omp parallel firstprivate(g)
	{  
	    printf("g=%d, thread=%d\n",g,omp_get_thread_num());
	    g=omp_get_thread_num();      
		printf("g=%d, thread=%d\n",g,omp_get_thread_num());
	}
	printf("g=%d\n",g);
	printf("parallel again\n");
	#pragma omp parallel
		printf("g=%d\n",g);*/

   
	//程序段15
	/*#pragma omp parallel
	{
		 printf("outside loop thread=%d\n",  omp_get_thread_num());
        #pragma omp for
		 for(int i=0;i<4;i++)
			printf("inside loop i=%d thread=%d\n", i, omp_get_thread_num());
	} */


    //程序段16
    #pragma omp parallel sections
	{
        #pragma omp section
		printf("section 1 thread=%d\n",omp_get_thread_num());
        #pragma omp section
		printf("section 2 thread=%d\n",omp_get_thread_num());
        #pragma omp section
		printf("sectino 3 thread=%d\n",omp_get_thread_num());
	}

```









```
// OpenMP2.cpp : 定義控制台應用程序的入口點。
//

#include "stdio.h"
#include "omp.h"
#include <windows.h>    //使用Sleep()函數需要包含此頭文件

int main()
{
#pragma omp parallel num_threads(4)
	{
		printf("parallel region before single.  thread %d\n", omp_get_thread_num());

#pragma omp single  //執行期間其他線程等待
		{
			Sleep(1000);
			printf("single region by thread %d.\n", omp_get_thread_num());
		}

		printf("parallel region after single. thread %d.\n", omp_get_thread_num());
	}
}
```

![](https://cdn.mathpix.com/snip/images/zXXUHQVQTcvLppTj4DQTfyhmsOki36df92Na-Apgp1c.original.fullsize.png)

把single改成master,執行的結果還是0,因為主線程就是0號線程,master只能由主線程執行

## 並行區域的共享

/ 2.根據線程號分配任務.由於每個線程在執行的過程中的線程標識號
// 是不同的，可以根據這個線程標識號來分配不同的任務
//#pragma omp parallel private(myid)
//      {
//          int nthreads = omp_get_num_threads();
//          int myid = omp_get_thread_num();
//          work_done(myid, nthreads);          // 分配任務函數
//      }

### 使用for語句分配任務

```
int main()
{
#pragma omp parallel num_threads(2)
	{
		printf("outside loop thread=%d\n", omp_get_thread_num());
#pragma omp for
		for (int i = 0; i < 4; i++)
			printf("inside loop i=%d thread=%d\n", i, omp_get_thread_num());
	}
}
outside loop thread=0
outside loop thread=1
inside loop i=2 thread=1
inside loop i=3 thread=1
inside loop i=0 thread=0
inside loop i=1 thread=0

int main()
{
#pragma omp parallel num_threads(4)
	{
		printf("outside loop thread=%d\n", omp_get_thread_num());
#pragma omp for
		for (int i = 0; i < 4; i++)
			printf("inside loop i=%d thread=%d\n", i, omp_get_thread_num());
	}
}
outside loop thread=0
inside loop i=0 thread=0
outside loop thread=2
inside loop i=2 thread=2
outside loop thread=1
inside loop i=1 thread=1
outside loop thread=3
inside loop i=3 thread=3
```

### 使用工作分區

```
// OpenMP2.cpp : 定義控制台應用程序的入口點。
//

#include "stdio.h"
#include "omp.h"
#include <windows.h>    //使用Sleep()函數需要包含此頭文件

int global = 88;
#pragma omp threadprivate(global)

int counter = 50;   //using threadprivate
#pragma omp threadprivate(counter)

void inc_counter() {
	counter++;
}

int main()
{
#pragma omp parallel sections
	{
#pragma omp section
		printf("section 1 thread=%d\n", omp_get_thread_num());
#pragma omp section
		printf("section 2 thread=%d\n", omp_get_thread_num());
#pragma omp section
		printf("sectino 3 thread=%d\n", omp_get_thread_num());
	}
}
```

![](https://cdn.mathpix.com/snip/images/_6-xN-thZMv2sVisMgUOpmTDP5VFyBHORPYDhtcBxgg.original.fullsize.png)

## openmp線程同步

提供了三種不同的互斥鎖機制,分別是臨界區,原子操作和庫函數

原子操作只能作用在語言內建的基本數據結構

也可以加鎖,比較安全

```
omp_lock_t lock;
omp_init_lock(&lock);
omp_destroy_lock(&lock);
omp_set_lock(&lock);
omp_unset_lock(&lock);
```

## 隱含的同步屏障

默認是把1-9分給了4個線程,執行完i的循環之后才可以輸出finished,使用nowait后可以直接輸出finished

```
int main()
{
#pragma omp parallel
	{
#pragma omp for nowait
		for (int i = 0; i < 9; i++)
			printf("i=%d thread=%d\n", i, omp_get_thread_num());

		printf("finished\n");
	}
}
```

```
i=0 thread=0
i=1 thread=0
i=2 thread=0
finished
i=5 thread=2
i=6 thread=2
finished
i=7 thread=3
i=3 thread=1
i=8 thread=3
i=4 thread=1
finished
finished
```

如果去掉nowait

```
i=0 thread=0
i=1 thread=0
i=2 thread=0
i=3 thread=1
i=7 thread=3
i=8 thread=3
i=5 thread=2
i=6 thread=2
i=4 thread=1
finished
finished
finished
finished
```

可以控制每個子任務之間的並行部分和串行部分,可以先執行並行最后串行.

```
// OpenMP2.cpp : 定義控制台應用程序的入口點。
//

#include "stdio.h"
#include "omp.h"
#include <windows.h>    //使用Sleep()函數需要包含此頭文件

void work(int k)
{
	printf("並行--thread id =%d  k=%d\n", omp_get_thread_num(), k);
#pragma omp ordered
	printf("order-id=%d k=%d\n", omp_get_thread_num(), k);
}
void ordered_func(int lb, int ub, int stride)
{
	int i;
#pragma omp parallel for ordered schedule(dynamic) num_threads(5)
	for (i = lb; i < ub; i += stride)
		work(i);
}

int main()
{
	ordered_func(0, 50, 5);
}


```

![](https://cdn.mathpix.com/snip/images/e8isf-nDopr1tSsVmI1yDFGk9_KsXVQXEen5ye4eIx4.original.fullsize.png)

並行執行的時候順序
后面的需要等待,所以就排在后面去了

## if子句的應用

如果if成立,那么就並行執行,否則就串行執行

[TOC]



## 火車賣票

```c++
// OpenMP2.cpp : 定義控制台應用程序的入口點。
//

#include "stdio.h"
#include "omp.h"
#include <windows.h>    //使用Sleep()函數需要包含此頭文件

int num;
omp_lock_t lock;
int getnum()
{
	int temp = num;
	//omp_set_nest_lock(&lock);
#pragma omp atomic
	num--;
	//omp_unset_nest_lock(&lock);
	return num+1;
}


void chushou(int i)
{
	
	int s = getnum();
	while (s >= 0)
	{
		omp_set_lock(&lock);
		printf("站點%d賣掉了第%d張票\n", i, s);
		s = getnum();
		omp_unset_lock(&lock);
		Sleep(500);
	}
	
	
}
int main()
{
	num = 100;
	int myid;
	omp_init_lock(&lock);
#pragma omp parallel private(myid) num_threads(4)
	
	{
		myid = omp_get_thread_num();
		//printf("my id is:%d\n", myid);
		chushou(myid);
	}
	omp_destroy_lock(&lock);

	return 0;
}

```

## 生產消費循環隊列

```c++


#include "stdio.h"
#include "omp.h"
#include <windows.h>    //使用Sleep()函數需要包含此頭文件

int buf[5];//緩沖區的大小
int poi;
int poi2;
int num;
omp_lock_t lock;

void shengchan()
{
	puts("shengchan");
	while (true)
	{
		omp_set_lock(&lock);
		if (num < 5)
		{
			while (buf[poi] == 1)poi = (poi + 1) % 5;
			printf("生產者在%d位置上放置了一個\n", poi);
			buf[poi] = 1;
			num++;
			poi = (poi + 1) % 5;
		}
		omp_unset_lock(&lock);
		Sleep(500);
	}
}

void xiaofei()
{
	puts("xiaofei");
	while (true)
	{
		omp_set_lock(&lock);
		//printf("%d\n", num);
		if (num>=1)
		{
			
			while (buf[poi2] == 0)poi2 = (poi2 + 1) % 5;
			
			printf("消費者在%d位置上消費了一個\n", poi2);
			buf[poi2] = 0;
			num--;
			
		}
		omp_unset_lock(&lock);
		Sleep(500);
	}
}
int main()
{
	omp_init_lock(&lock);
#pragma omp parallel sections num_threads(2)
	{
#pragma omp section
		shengchan();
#pragma omp section
		xiaofei();
	}
	omp_destroy_lock(&lock);
	return 0;
}
```

## 蒙特卡洛圓周率

```c++


#include "stdio.h"
#include "omp.h"
#include <windows.h>    //使用Sleep()函數需要包含此頭文件
#include<time.h>
#include<iostream>

using namespace std;
double distance(double x, double y)
{
	return sqrt((x - 0.5) * (x - 0.5) + (y - 0.5) * (y - 0.5));
}

bool judge(double x,double y)
{
	return distance(x, y) <= 0.5;
}
int in_num;

int main()
{
	/*
	for (int i = 1; i <= 5; i++)
	{
		cout << rand() / (double)RAND_MAX << endl;
	}*/
	
	bool flag = false;
	double x;
	double y;
#pragma omp for private(flag,x,y)
	for (int i = 1; i <= 10000; i++)
	{
		x = rand() / (double)RAND_MAX;
		y = rand() / (double)RAND_MAX;
		flag = judge(x,y);
		if (flag)
		{
#pragma omp atomic
			in_num++;
		}
		

	}
	double ans = (double)in_num / 10000;
	cout << ans*4 << endl;
	
}

```

## 多線程二維數組和解法1 firstprivate+atomic

```c++


#include "stdio.h"
#include "omp.h"
#include <windows.h>    //使用Sleep()函數需要包含此頭文件
#include<time.h>
#include<iostream>

using namespace std;
int a[5][5] = { {1,1,1,1,1},{2,2,2,2,2},{3,3,3,3,3},{4,4,4,4,4},{5,5,5,5,5} };
int final_ans = 0;
void increase(int temp_sum)
{
#pragma omp atomic
	final_ans += temp_sum;
}
int main()
{
	int temp_sum=0;
	int i,j;
#pragma omp parallel for private(i,j) firstprivate(temp_sum) num_threads(5)//每個線程必須一致,或者采用ppt上的例子進行划分
	// firstprivate(temp_sum) reduction(+:temp_sum) 這兩個不能同時出現
	for (i = 0; i <= 4; i++)
	{
		//temp_sum += 1;
		//printf("%d 當前的temp_sum值為%d\n",i, temp_sum);
		for (j = 0; j <= 4; j++)
		{
			temp_sum += a[i][j];
		}
		printf("temp_sum is %d\n", temp_sum);
		increase(temp_sum);


	}
	printf("%d\n", final_ans);
	return 0;
}
```

## 多線程二維數組解法2 線程可以不用對應數量

```


#include "stdio.h"
#include "omp.h"
#include <windows.h>    //使用Sleep()函數需要包含此頭文件
#include<time.h>
#include<iostream>

using namespace std;
int a[5][5] = { {1,1,1,1,1},{2,2,2,2,2},{3,3,3,3,3},{4,4,4,4,4},{5,5,5,5,5} };
int ans_buf[5];
int main()
{
	int i, j;
#pragma omp parallel for num_threads(3) private(j)
	for (int i = 0; i <= 4; i++)
	{
		for (int j = 0; j <= 4; j++)
		{
			ans_buf[i] += a[i][j];
		}
	}
	int sum = 0;
	for (int i = 0; i <= 4; i++)
		sum += ans_buf[i];
	printf("%d\n", sum);
}
```



1.模擬龜兔賽跑,先到達終點者輸出

2.多線程二維矩陣前綴和(難) 需要先了解二維前綴和

3.模擬多個人通過一個山洞的模擬，這個山洞每次只能通過一個人，每個人通過山洞的時間為5秒，隨機生成10個人，同時准備過此山洞，顯示以下每次通過山洞的人的姓名。

4.多線程斐波那契數列(有點難)

5.openmp 快排 歸並排序

6.3節點有5個人要去0     0節點有5個人要去3 防死鎖

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7.多線程 大數求和

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