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【实验报告】计算π的值：使用pthread中的信号量实现多线程同步 实验目标是通过多线程计算π的值，采用Monte Carlo方法，根据给定的公式`1 / (2 * i + 1)`对级数进行求和。在串行计算中，程序简单地遍历所有项并将它们累加到`sum`中。然而，在并行化程序中，由于多个线程同时更新共享变量`sum`，可能导致数据竞争和不可预测的结果。为解决这个问题，实验引入了pthread库中的信号量机制来实现线程间的同步。 ### 信号量机制 信号量是一种用于控制对共享资源访问的同步机制。在本实验中，使用了以下三个pthread库中的关键函数： 1. `sem_init(sem_t *sem, int pshared, unsigned int value)`：初始化信号量。`sem`指向信号量结构，`pshared`指定信号量是否跨进程共享，`value`设置初始值。 2. `sem_wait(sem_t *sem)`：原子地减少信号量的值。如果信号量值大于0，则减1并继续执行；否则，线程被阻塞，直到其他线程调用`sem_post`。 3. `sem_post(sem_t *sem)`：原子地增加信号量的值。当一个线程完成对共享资源的访问后，会调用`sem_post`，释放信号量，使得其他等待的线程可以继续执行。 ### 实现思路 1. **线程分配**：将总项数`n`均分为`thread_count`个部分，每个线程负责处理一部分项。线程编号`my_rank`决定了起始项`my_first_i`和终止项`my_last_i`。 2. **计算项的系数**：根据项的奇偶性确定系数因子`factor`，偶数项为1.0，奇数项为-1.0。 3. **并行计算**：每个线程独立计算自己的项，并累加到局部变量`my_sum`。 4. **同步操作**：在将`my_sum`累加到全局`sum`之前，线程需要调用`sem_wait`获取信号量，确保当前没有其他线程正在更新`sum`。然后执行`sum += my_sum`，并调用`sem_post`释放信号量，允许其他线程继续执行。 ### 问题分析 在多线程环境中，如果没有适当的同步措施，当多个线程试图同时修改`sum`时，可能会导致数据丢失或错误的结果。通过使用信号量，可以确保临界区（即更新`sum`的操作）的互斥访问，从而保证计算的正确性。 ### 实验结果与观察 实验结果可能因每次运行的线程调度差异而略有不同，但总体上，随着线程数量的增加和项数`n`的增大，多线程程序应该能更高效地计算π的值，因为它将任务分解并行处理。正确使用信号量可以避免数据竞争，确保并行计算的正确性。 总结，该实验展示了如何利用pthread库的信号量机制在多线程环境中实现对共享资源的安全访问，解决了并行计算中可能出现的数据竞争问题，从而有效地提高了计算π的效率。