揭秘 OpenMP 线程同步 Construct 的运作机制（上）

2024-02-13 05:38:22

OpenMP 线程同步原语：协调并行程序的秘密武器

踏上并行计算的旅程

并行计算已成为现代计算不可或缺的一部分，它使程序员能够驾驭多核处理器的强大功能。然而，要充分利用这种能力，协调线程间的交互至关重要，而 OpenMP 正是实现这一目标的利器。OpenMP 是一款强大的编程模型，它提供了一系列精妙的线程同步原语，让程序员能够控制线程的执行，确保共享数据的安全访问。

窥探 OpenMP 线程同步原语的内部运作

OpenMP 提供了丰富的线程同步原语，每个原语都针对特定的同步需求而设计。在本篇博文中，我们将深入探讨三个至关重要的原语：flush、master 和 critical。

flush：确保数据的即时可见性

flush 指令是 OpenMP 中最基本的同步原语之一。它的作用是确保对共享变量的写操作在所有线程中都能立即看到。换句话说，它防止了数据的不一致，保证了共享数据的完整性。flush 的实现机制是强制缓存中的数据立即写入主内存，从而使所有线程都能及时获取更新后的数据。

代码示例：

#pragma omp parallel
{
  // 线程 1 写入共享变量
  x = 10;
  // flush 指令确保 x 的值立即在所有线程中可见
  #pragma omp flush (x)
  // 线程 2 读取共享变量
  y = x;
}

master：指定主线程

master 指令允许指定一个线程作为主线程，该线程在并行区域之外运行，并且只执行一次。这通常用于初始化数据结构或执行其他仅需执行一次的任务。master 的实现利用了线程局部存储（TLS）来记录主线程的标识，并在进入代码块之前检查该标识。

代码示例：

#pragma omp parallel
{
  // 只有主线程执行以下代码块
  #pragma omp master
  {
    // 初始化数据结构
    for (i = 0; i < 10; i++)
      arr[i] = i;
  }
}

critical：保护临界区

critical 指令为共享数据提供了一种互斥访问机制，防止多个线程同时修改同一个临界区（共享数据的一段）。critical 指令的实现利用了锁的概念。当一个线程进入临界区时，它会尝试获取一个锁。如果锁已被其他线程持有，当前线程将被阻塞，直到锁被释放。释放锁后，当前线程才能进入临界区。

代码示例：

#pragma omp parallel
{
  // 只有一个线程可以同时访问临界区
  #pragma omp critical
  {
    // 更新共享变量
    x++;
  }
}

代码示例：揭秘线程同步原语的实际应用

为了进一步阐明这些线程同步原语的实际应用，让我们编写一个模拟并行计算的简单代码示例。该代码模拟了多个线程并行更新共享数组中的元素。

#include <omp.h>
#include <stdio.h>

int main() {
  int arr[10];

  // 初始化数组
  #pragma omp parallel for
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    arr[i] = i;
  }

  // 并行更新数组元素
  #pragma omp parallel for
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    arr[i] = arr[i] * arr[i];
  }

  // 输出更新后的数组
  #pragma omp master
  {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      printf("arr[%d] = %d\n", i, arr[i]);
    }
  }

  return 0;
}