在C++中使用openmp进行多线程编程
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2021-01-27
14:21:28
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在在C++中使用中使用openmp进行多线程编程进行多线程编程
前言
多线程在实际的编程中的重要性不言而喻。对于C++而言，当我们需要使用多线程时，可以使用boost::thread库或者自从C++
11开始支持的std::thread，也可以使用操作系统相关的线程API，如在Linux上，可以使用pthread库。除此之外，还可以使用
omp来使用多线程。它的好处是跨平台，使用简单。
在Linux平台上，如果需要使用omp，只需在编译时使用"-fopenmp"指令。在Windows的visual studio开发环境中，开启omp支
持的步骤为“项目属性 -> C/C++ -> 所有选项 -> openmp支持 -> 是(/openmp)”。
本文我们就介绍omp在C++中的使用方法。
c++ openmp入门简介
openmp是由一系列#paragma指令组成，这些指令控制如何多线程的执行程序。另外，即使编译器不支持omp，程序也也能
够正常运行，只是程序不会多线程并行运行。以下为使用omp的简单的例子：
以上代码会自动以多线程的方式运行for循环中的内容。如果你删除"#pragma omp parallel for"这行，程序依然能够正常运行，
唯一的区别在于程序是在单线程中执行。由于C和C++的标准规定，当编译器遇到无法识别的"#pragma"指令时，编译器自动
忽略这条指令。所以即使编译器不支持omp，也不会影响程序的编译和运行。
omp语法
所有的omp指令都是以"#pragma omp“开头，换行符结束。并且除了barrier和flush两个指令不作用于代码以外，其他的指令都
只与指令后面的那段代码相关，比如上面例子中的for循环。
parallel编译指示
parallel告诉编译器开始 一个并行块，编译器会创建一个包含N（在运行时决定，通常为硬件线程数）个线程的线程组，所有
线程都运行接下来的语句或者由”{...}"包含的代码块，在这执行结束之后，又回到主线程，创建的这N个线程会被回收。
以上代码在4双核4线程的cpu的电脑上运行时，输出了4行”parallel run!!!"。即编译器创建了一个包含4个线程的线程组来运行
这段代码。在这段代码运行结束后，程序执行回到主线程。GCC编译器的实现方式是在内部创建一个函数，然后将相关的执
行代码移至这个函数，这样一来代码块中定义的变量成为了线程的局部变量，互不影响。而ICC的实现方式是利用fork()来实
现。
线程之间共享的变量是通过传递引用或者利用register变量来实现同步的，其中register变量在代码执行结束之后或者在flush指
令调用时进行同步。
我们也可以利用if条件判断来决定是否对后续的代码采用并行方式执行，如：
在这个例子中，如果parallelism_enabled为false，那么这个for循环只会由一个线程来执行。
for指令
omp中的for指令用于告诉编译器，拆分接下来的for循环，并分别在不同的线程中运行不同的部分。如果for指令后没有紧接着
for循环，编译器会报错。例如，
以上的代码执行后，会打印出[0,9]这10个数字。但是它们的顺序是随机出现的，在我的电脑上，运行的输出是"0 1 2 8 9 6 7 3
4 5"。事实上，输出结果不会是完全随机的，输出的序列是局部有序的，因为在编译器对for循环的拆分相当于下面的代码：
以上代码中，omp_get_thread_num()用于获取当前线程在当前线程组中的序号；omp_get_num_threads()用于获取县城组中
的线程数。所以线程组中每个线程都运行了for循环中的不同部分。
这里提到for循环的不同部分在线程组中的不同线程中执行的，线程组是在程序遇到"#pragma omp parallel"时创建，在程序块
(parallel后的”{...}"或者语句)结束后，线程组中的只有一个主线程。因此上面示例中的代码事实上是以下代码的缩写：
此处的"#pragma omp for"即使在“#pragma omp parallel”指令创建的线程组中执行的。加入此处没有#pragma omp parallel指
令，那么for循环只会在主线程中执行。parallel指令所创建的线程组的线程数默认是有编译器决定的，我们也可以通过
num_threads指令来指定线程数，如”#pragma omp parallel num_threads(3)“即告诉编译器，此处需要创建一个包含3个线程的
线程组。
Schedule指令
Schedule指令提供对for指令中线程调度更多的控制能力。它有两种调度方式：static和dynamic。
static：每个线程自行决定要执行哪个块，即每个线程执行for循环中的一个子块。
dynamic：一个线程并不是执行for循环的一个子块，而是每次都向omp运行时库索取一个for循环中的迭代值，然后执行这次
迭代，在执行完之后再索取新的值。因此，线程有可能执行任意的迭代值，而不是一个子块。
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