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多執行緒的概念

目前雙核心的 CPU 當道，AMD 的 Athlon64x2、Intel 的 Pentium-D、Core Duo，以及即將上市的 Core 2 Duo，儼然將成為下一代電腦的主流（尤其是超低價的 Pentium D，絕對是現階段 C/P 值極高的雙核心 CPU）。但是雙核心有什麼用呢？

對於一般單一執行緒（single thread）的程式，多核心的處理器並沒有辦法提升它的處理效能；不過對於多執行緒（multi thread）的程式，就可以透過不同的核心同時計算，來達到加速的目的了！簡單的例子，以單執行緒的程式來說，一件事做一次要十秒的話，要做十次，都丟給同一顆核心做的話，自然就是 10 秒 * 10 次，也就是 100 秒了；但是以多執行緒的程式來說，它可以把這一件事，分給兩顆核心各自做，每顆核心各做 5 次，所以所需要的時間就只需要 50 秒！

當然，多執行緒的程式實際上沒這麼簡單。在工作的切割、結合上，也是要多花時間的，所以在現實中，即使最佳狀況，雙核心的效能也不會是 1 + 1 = 2 這樣的理想化。除此之外，也不是所有工作都是可以切割的！很多工作是有關聯性的，這樣如果直接切割給不同的處理核心各自去平行運算，出來的結果是肯定有問題的。而且，多執行緒的程式在編寫、維護上，也都比單一執行緒的程式複雜上不少。

不過，如果電腦本身是多處理器、多核心處理器，或是處理器擁有像 Intel Hyper-Threading Technology 這類的能在同一個時間處理多個執行緒的功能的話，那把各自獨立的工作由單一執行緒改成多執行緒，在執行的效率上，大多還是會有增進的！

多執行緒的程式

寫程式的時候該怎麼去寫多執行緒的程式呢？一般的方法，就是真的利用 thread 的控制，去實際在程式中去產生其他的 thread 來處理。像 POSIX Threads 這套 library，就是用來產生、控制執行緒的函式庫。而像 Microsoft VisualStudio 2005 中，也有提供控制 thread 的功能。這種方法，大多就是產生多個 thread，而再由主要的 thread 把工作拆開，分給各 thread 去運算，最後再由主要的 thread 回收結果、整合。

但是，實際上要去控制 thread 是滿麻煩的～在程式的編寫上，也會複雜不少；而如果我們只是想要把一些簡單的迴圈平行化處理，用 thread library 來控制，實在有點殺雞用牛刀的感覺。這時候，用 Open MP 就簡單多了！OpenMP 是一種能透過高階指令，很簡單地將程式平行化、多執行緒化的 API；在最簡單的情形，甚至可以只加一行指令，就可以將迴圈內的程式平行化處理了！

OpenMP 的基本使用

要在 Visual C++ 2005 中使用 openMP 其實不難，只要將 Project 的 Properties 中 C/C++ 裡 Language 的 OpenMP Support 開啟（參數為 /openmp），就可以讓 VC++2005 在編譯時支援 OpenMP 的語法了；而在使用到 OpenMP 的檔案，則需要先 include OpenMP 的 header file : omp.h。

而要將 for 迴圈平行化處理，該怎麼做呢？非常簡單，只要在前面加上一行

#pragma omp parallel for

就夠了！

 

也可以實際用一段簡單的程式，來弄清楚它的運作方式。 

#include <STDIO.H>
#include <STDLIB.H>

void Test( int n )
{
 for( int i = 0; i < 10000; ++ i )
 {
  //do nothing, just waste time
 }
 printf( "%d, ", n );
}

int main(int argc, char* argv[])
{
 for( int i = 0; i < 10; ++ i )
  Test( i );

 system( "pause" );
}

上面的程式，在 main() 是一個很簡單的迴圈，跑十次，每次都會呼叫 Test() 這個函氏，並把是迴圈的執行次數（i）傳進 Test()  並列印出來。想當然耳，它的結果會是： 



0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,




而如果想利用 OpenMP 把 mian() 裡面的迴圈平行化處理呢？只需要修改成下面的樣子： 




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

void Test( int n )
{
 for( int i = 0; i < 10000; ++ i )
 {
  //do nothing, just waste time
 }
 printf( "%d, ", n );
}

int main(int argc, char* argv[])
{
 #pragma omp parallel for
 for( int i = 0; i < 10; ++ i )
  Test( i );

 system( "pause" );
}




夠簡單吧？重頭到尾，只加了兩行（紅色部分）！而執行後，可以發現結果也變了！ 






0, 5, 1, 6, 2, 7, 3, 8, 4, 9,




可以從結果很明顯的發現，他沒有照著 0 到 9 的順序跑了！而上面的順序怎麼來的？其實很簡單，OpenMP 只是把迴圈 0 – 9 共十個步驟，拆成 0 - 4, 5 – 9 兩部份，丟給不同的執行緒去跑，所以數字才會出現這樣交錯性的輸出～ 


而要怎麼確定真的有跑多執行緒呢？如果本來有多處理器、多核心處理器或有 Hyper Thread 的話，一個單執行緒程式，最多只會把一顆核心的使用量吃完；像比如說在 Pentium 4 HT 上跑，單一執行緒的程式，在工作管理員中看到的 CPU 使用率最多就是 50%。而利用 OpenMP 把回圈進行平行化處理後，就可以在執行廻圈時，把兩顆核心的 CPU 都榨光了！也就是工作管理員可以看到 CPU 使用率是 100%。 








 


當然，OpenMP 不是只有這個指令的～而且 OpenMP 也不適用於任何場合。請期待第二部份。 :p 


不過理論上，應該會等測試過效率後，來列一些效能測試的結果。同時，會加一些錯誤利用 OpenMP 的示範。 


  原始文章 : Heresy Space 
            

                        


    

        

                    

    

    

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