MIT6828-HW6-Threads and Locking

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在这个作业中，我们将使用一个Hash Table实现多线程编程，首先下载这个文件。

作业内容

下载文件后进行编译并运行：

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$ gcc -g -O2 ph.c -pthread
$ ./a.out 2

2表示启动的线程数，运行一段时间后，程序应该有如下输出

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1: put time = 0.003338
0: put time = 0.003389
0: get time = 7.684335
0: 17480 keys missing
1: get time = 7.684335
1: 17480 keys missing
completion time = 7.687856

每个线程运行在两个阶段，put和get，每个阶段大约7.7秒，现在使用一个线程：

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$ ./a.out 1
0: put time = 0.004073
0: get time = 6.929189
0: 0 keys missing
completion time = 6.933433

可以发现总用时为6.9秒，貌似一个线程速度还快一些，但是多线程做了其两倍的工作，用时只多了不到1秒，还是效率高了一些，但是可以看到，使用两个线程会有很多次哈希miss的情况，画一个图思考一下为何会出现哈希miss。（本质上是因为两个线程对同一个空间进行写操作，第一个线程写了之后，被第二个线程擦除，所以真正有用的是第二个线程的操作）

为了避免哈希miss，我们需要在对hash table访问时加锁保护，使用下列语句对put和get进行加锁：

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pthread_mutex_t lock;     // declare a lock
pthread_mutex_init(&lock, NULL);   // initialize the lock
pthread_mutex_lock(&lock);  // acquire lock
pthread_mutex_unlock(&lock);  // release lock

由于get只是读取，因此我们只需要对put进行加锁，即可避免hash miss

反思

粗粒锁与细粒锁

我们可以使用一个锁锁住整个哈希表，也可以对哈希表中的每一个链表单独上一把锁，代码分别如下：

粗颗粒锁

粗颗粒锁对整个哈希表上锁，比较简单，但是控制颗粒度很粗，访问不同列的线程也会导致相互阻塞。

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pthread_mutex_t lock;     // declare a lock
pthread_mutex_init(&lock, NULL);   // initialize the lock

pthread_mutex_lock(&lock);    // acquire lock
    ...                       // 临界区
pthread_mutex_unlock(&lock);  // release lock

细颗粒锁

细颗粒锁针对哈希表每一列单独上锁，因此访问不同列的线程不会因为争抢锁而陷入等待，效率高一些。

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pthread_mutex_t locks[NBUCKET];     // declare a lock
for(int i=0;i<NBUCKET; i++)
    pthread_mutex_init(&locks[i], NULL);   // initialize the lock

pthread_mutex_lock(&locks[i]);    // acquire lock
    ...                       // 临界区
pthread_mutex_unlock(&locks[i]);  // release lock

两种不同锁对比

总的来说粗颗粒锁更简单，细颗粒锁更快一些，但是需要锁的数量会上升，如果对象很多的话，使用细颗粒锁并不方便。（其实就我个人的实验，并没有看出两者之间有何差别）

源码

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// Headers
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <assert.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/time.h>

// Constants
#define SOL
#define NBUCKET 5
#define NKEYS 100000

// Node of a hash table 
struct entry {
    int key;
    int value;
    struct entry *next;
};

// Hash value is the array index, and make linear search 
// inside the list
struct entry *table[NBUCKET];
// Average list length = NKEYS / NBUCKET
int keys[NKEYS];

int nthread = 1;
volatile int done;

// Get current time 
double now(){...}
// Print the hash table
static void print(void){...}

// Insert at beginning
static void insert(int key, int value, struct entry **p, struct entry *n){
    struct entry *e = malloc(sizeof(struct entry));
    e->key = key;
    e->value = value;
    e->next = n;
    *p = e;
}

static void put(int key, int value){
    int i = key % NBUCKET;
    insert(key, value, &table[i], table[i]);
}

static struct entry* get(int key)
{
    struct entry *e = 0;
    for (e = table[key % NBUCKET]; e != 0; e = e->next) {  // 进入对应哈希列，然后顺序遍历
        if (e->key == key) break;
    }
    // e == NULL: 搜索到末尾，哈希不命中
    return e;
}

// 线程函数
static void *thread(void *xa){
    long n = (long) xa;
    int i;
    int b = NKEYS/nthread;    // 每个线程处理的索引数
    int k = 0;
    double t1, t0;

    //  printf("b = %d\n", b);
    t0 = now();
    for (i = 0; i < b; i++) {
        // printf("%d: put %d\n", n, b*n+i);
        put(keys[b*n + i], n);
    }
    t1 = now();
    printf("%ld: put time = %f\n", n, t1-t0);

    // Should use pthread_barrier, but MacOS doesn't support it ...
    __sync_fetch_and_add(&done, 1);
    while (done < nthread) ;

    t0 = now();
    for (i = 0; i < NKEYS; i++) {
        struct entry *e = get(keys[i]);
        if (e == 0) k++;
    }
    t1 = now();
    printf("%ld: get time = %f\n", n, t1-t0);
    printf("%ld: %d keys missing\n", n, k);
    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[]){
    pthread_t *tha;
    void *value;
    long i;
    double t1, t0;
    
    // 参数处理
    if (argc < 2) {
        fprintf(stderr, "%s: %s nthread\n", argv[0], argv[0]);
        exit(-1);
    }
    // 创建线程，分配n个线程所需的空间
    nthread = atoi(argv[1]);
    tha = malloc(sizeof(pthread_t) * nthread);
    
    // 设置随机数种子，初始化索引
    srandom(0);
    assert(NKEYS % nthread == 0);
    for (i = 0; i < NKEYS; i++) {
        keys[i] = random();
    }
    
    t0 = now();
    // 创建线程
    for(i = 0; i < nthread; i++) {
        assert(pthread_create(&tha[i], NULL, thread, (void *) i) == 0);
    }
    // 等待线程执行结束
    for(i = 0; i < nthread; i++) {
        assert(pthread_join(tha[i], &value) == 0);
    }
    t1 = now();
    printf("completion time = %f\n", t1-t0);
}

参考文献

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