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讓我發瘋的Pthread資料競賽

2022-02-17 01:41:31 軟體設計

幾周前我發布了一個與此類似的問題,我在使用 C 中的 pthreads 在我的 N-queens 程式中發現資料競爭時遇到了麻煩。為什么我的多執行緒 C 程式不能在 macOS 上運行,但在 Linux 上卻完全沒問題?

我在帖子的評論部分得到了一些建議,我真的盡力根據它們進行更正。幾天來,我接受了這些建議,更改了一些部分,但資料競賽仍然存在,我就是不明白為什么。關鍵部分內有生產和消費數量的計數器。查看代碼并對其進行分析時,我感到完全失明,我知道消耗太多,但是據我所知,圍繞該代碼片段的同步應該是正確的,但顯然有些不對勁。外部輸入將不勝感激。

這是我正在使用的代碼,我不確定如何減小其大小以仍然重現該問題。我使用 MacBook Pro 2020 x86_64 架構在 macOS Monterey (12.1) 上使用 gcc (clang-1205.0.22.11) 編譯它。

compile: gcc -o 8q 8q.c*
run: ./8q <consumers> <N>, NxN chess board, N queens to place
parameters:./8q 2 4足以突出問題(應該產生 2 個解決方案,但每隔一次運行產生 3 個解決方案,即存在重復
的解決方案注意:運行程式./8q 2 4應該給出 2 個解決方案, 1820 次生產和 1820 次消費。


#ifndef _REENTRANT
    #define _REENTRANT
#endif

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


typedef struct stack_buf {
    int positions[8];
    int top;
} stack_buf;

typedef struct global_buf {
    int positions[8];
    int buf_empty;
    long prod_done;
    int last_done;
} global_buf;

typedef struct print_buf {
    int qpositions[100][8];
    int top;
} print_buf;

stack_buf queen_comb = { {0}, 0 };
print_buf printouts = { {{0}}, 0 };
global_buf global = { {0}, 1, 0, 0 };
int N; //NxN board and N queens to place
long productions = 0;
long consumptions = 0;

pthread_mutex_t buffer_mutex, print_mutex;
pthread_cond_t empty, filled;


/* ##########################################################################################
   ################################## VALIDATION FUNCTIONS ##################################
   ########################################################################################## */

/* Validate that no queens are placed on the same row */
int valid_rows(int qpositions[]) {
    int rows[N];
    memset(rows, 0, N*sizeof(int));
    int row;
    for (int i = 0; i < N; i  ) {
        row = qpositions[i] / N;
        if (rows[row] == 0) rows[row] = 1;
        else return 0;
    }
    return 1;
}

/* Validate that no queens are placed in the same column */
int valid_columns(int qpositions[]) {
    int columns[N];
    memset(columns, 0, N*sizeof(int));
    int column;
    for (int i = 0; i < N; i  ) {
        column = qpositions[i] % N;
        if (columns[column] == 0) columns[column] = 1;
        else return 0;
    }
    return 1;
}

/* Validate that left and right diagonals aren't used by another queen */
int valid_diagonals(int qpositions[]) {
    int left_bottom_diagonals[N];
    int right_bottom_diagonals[N];
    int row, col, temp_col, temp_row, fill_value, index;

    for (int queen = 0; queen < N; queen  ) {
        row = qpositions[queen] / N;
        col = qpositions[queen] % N;
        
        /* position --> left down diagonal endpoint (index) */
        fill_value = col < row ? col : row; // closest to bottom or left wall
        temp_row = row - fill_value;
        temp_col = col - fill_value;
        index = temp_row * N   temp_col; // board position
        for (int i = 0; i < queen; i  ) { // check if interference occurs
            if (left_bottom_diagonals[i] == index) return 0;
        }
        left_bottom_diagonals[queen] = index; // no interference

        /* position --> right down diagonal endpoint (index) */
        fill_value = (N-1) - col < row ? N - col - 1 : row; // closest to bottom or right wall
        temp_row = row - fill_value;
        temp_col = col   fill_value;
        index = temp_row * N   temp_col; // board position
        for (int i = 0; i < queen; i  ) { // check if interference occurs
            if (right_bottom_diagonals[i] == index) return 0;
        }
        right_bottom_diagonals[queen] = index; // no interference
    }
    return 1;
}

/* ##########################################################################################
   #################################### HELPER FUNCTION(S) ####################################
   ########################################################################################## */

/* print the collected solutions  */
void print(print_buf printouts) {
    static int solution_number = 1;
    int placement;

    pthread_mutex_lock(&print_mutex);
    for (int sol = 0; sol < printouts.top; sol  ) { // all solutions
        printf("Solution %d: [ ", solution_number  );
        for (int pos = 0; pos < N; pos  ) {
            printf("%d ", printouts.qpositions[sol][pos] 1);
        } 
        printf("]\n");

        printf("Placement:\n");
        for (int i = 1; i <= N; i  ) { // rows
            printf("[ ");
            placement = printouts.qpositions[sol][N-i];
            for (int j = (N-i)*N; j < (N-i)*N N; j  ) { // physical position
                if (j == placement) {
                    printf(" Q ");
                } else printf("- ", j 1);
            }
            printf("]\n");
        }
        printf("\n");
    }
    pthread_mutex_unlock(&print_mutex);
}


/* ##########################################################################################
   #################################### THREAD FUNCTIONS ####################################
   ########################################################################################## */

/* entry point for each worker (consumer) workers will 
check each queen's row, column and diagonal to evaluate 
satisfactory placements */
void *eval_positioning(void *id) {
    long thr_id = (long)id;
    int qpositions[N]; // on stack (thread-private)
    
    while (1) {
        pthread_mutex_lock(&buffer_mutex);
        while (global.buf_empty == 1) { // no element
            if (global.last_done) { // last done, no combinations left 
                pthread_mutex_unlock(&buffer_mutex);
                pthread_cond_signal(&filled);
                return NULL;
            }
            if (global.prod_done) {
                global.last_done = 1;
                break;
            }
            pthread_cond_wait(&filled, &buffer_mutex);
        }

        memcpy(qpositions, global.positions, N*sizeof(int)); // copy to local scope
        global.buf_empty = 1;
        consumptions  ;

        pthread_mutex_unlock(&buffer_mutex);
        pthread_cond_signal(&empty);
        
        if (valid_rows(qpositions) && valid_columns(qpositions) && valid_diagonals(qpositions)) {
            pthread_mutex_lock(&print_mutex);
            memcpy(printouts.qpositions[printouts.top], qpositions, N*sizeof(int));  /* save for printing later */
            printouts.top  ;
            pthread_mutex_unlock(&print_mutex);
        }
    }
    return NULL;
}

/* recursively generate all possible queen_combs */
void rec_positions(int pos, int queens) {
    if (queens == 0) { // base case
        pthread_mutex_lock(&buffer_mutex);
        while (global.buf_empty == 0) { // while production hasn't been consumed
            pthread_cond_wait(&empty, &buffer_mutex);
        }
        memcpy(global.positions, queen_comb.positions, N*sizeof(int));
        productions  ;
        global.buf_empty = 0;
        pthread_mutex_unlock(&buffer_mutex);
        pthread_cond_signal(&filled);
        return;
    }

    for (int i = pos; i <= N*N - queens; i  ) {
        queen_comb.positions[queen_comb.top  ] = i;
        rec_positions(i 1, queens-1);
        queen_comb.top--;
    }
}

/* binomial coefficient | without order, without replacement
8 queens on 8x8 board: 4'426'165'368 queen combinations */
void *generate_positions(void *arg) {
    rec_positions(0, N);
    pthread_mutex_lock(&buffer_mutex);
    global.prod_done = 1;
    pthread_mutex_unlock(&buffer_mutex);
    pthread_cond_broadcast(&filled); //wake all to 
    return NULL;
}

/* ##########################################################################################
   ########################################## MAIN ##########################################
   ########################################################################################## */

/* main procedure of the program */
int main(int argc, char *argv[]) {
    if (argc < 3) {
        printf("usage: ./8q <workers> <board width/height>\n");
        exit(1);
    }

    int workers = atoi(argv[1]);
    N = atoi(argv[2]);

    if (N < 2 || N > 8) {
        printf("Wrong input! 2 <= N <= 8\n");
        return 0;
    }

    struct timeval start, stop;
    double elapsed;
    pthread_t consumers[workers];
    pthread_t producer;

    printf("\n");
    
    gettimeofday(&start, NULL);

    pthread_create(&producer, NULL, generate_positions, NULL);
    for (long i = 0; i < workers; i  ) {
        pthread_create(&consumers[i], NULL, eval_positioning, (void*)i 1);
    }

    pthread_join(producer, NULL);
    for (int i = 0; i < workers; i  ) {
        pthread_join(consumers[i], NULL);
        char id[2];
        sprintf(id, "%d", i 1);
        write(1, id, strlen(id));
        write(1, " done\n\n", 6);
    }

    gettimeofday(&stop, NULL);
    elapsed = stop.tv_sec - start.tv_sec;
    elapsed  = (stop.tv_usec - start.tv_usec) / (double)1000000;
    
    /* go through all valid solutions and print */
    print(printouts);
    
    printf("board: %dx%d, workers: %d ( 1), exec time: %fs, solutions: %d\n", N, N, workers, elapsed, printouts.top);
    printf("productions:  %ld\nconsumptions: %ld\n", productions, consumptions);
    return 0;
}

uj5u.com熱心網友回復:

您沒有初始化互斥鎖和條件變數。在 pthread API 中使用時,結果是 UB。有兩種方法可以做到這一點,最簡單的就是使用正確的初始化器:

pthread_mutex_t buffer_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_t print_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_cond_t empty = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_cond_t filled = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

無關,但值得一提的是,last_done意識形態是不必要的。這可以通過 buf_empty 和 prod_done 狀態來完成。具體來說:

void *eval_positioning(void *tid)
{
    int qpositions[N]; // on stack (thread-private)

    while (1)
    {
        pthread_mutex_lock(&buffer_mutex);

        // while still producing *and* the buffer is empty
        while (!global.prod_done && global.buf_empty)
            pthread_cond_wait(&filled, &buffer_mutex);

        // if both are true, we're done. nothing to process, and
        //  there never will be (e.g. prod_done)
        if (global.prod_done && global.buf_empty)
        {
            // signal anyone else waiting on that mutex cvar
            pthread_cond_signal(&filled);
            break;
        }

        // if we have a buffer to process (even if prod_done is true)
        else if (!global.buf_empty)
        {
            // make local copy of buffer
            memcpy(qpositions, global.positions, sizeof qpositions);
              consumptions;

            // mark global buffer as ready-to-receive
            global.buf_empty = 1;
            pthread_cond_signal(&empty);
            pthread_mutex_unlock(&buffer_mutex);

            // if validated...
            if (valid_rows(qpositions) && valid_columns(qpositions) && valid_diagonals(qpositions))
            {
                // record and bump the printout counter.
                pthread_mutex_lock(&print_mutex);
                int row = printouts.top  ;
                pthread_mutex_unlock(&print_mutex);

                // this need not be protected by the mutex. we "own"
                //  this now, and can just blast away.
                memcpy(printouts.qpositions[row], qpositions, sizeof qpositions);
            }
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(&buffer_mutex);
        }
    }

    // make sure we unlock this
    pthread_mutex_unlock(&buffer_mutex);

    return tid;
}

通過正確初始化并發材料和上述 eval 處理器,這是一致的輸出:

輸出

1 done
2 done
Solution 1: [ 2 8 9 15 ]
Placement:
[ 13 14  Q 16 ]
[  Q 10 11 12 ]
[  5  6  7  Q ]
[  1  Q  3  4 ]

Solution 2: [ 3 5 12 14 ]
Placement:
[ 13  Q 15 16 ]
[  9 10 11  Q ]
[  Q  6  7  8 ]
[  1  2  Q  4 ]

board: 4x4, workers: 2 ( 1), exec time: 0.013001s, solutions: 2
productions:  1820
consumptions: 1820

為微不足道的筆記本電腦性能數字道歉

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/ruanti/424566.html

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    他們集團的資訊化公司及研究院在一個礦區正在做智能礦山的統一平臺的 試點,專案投資大概1億,包括了礦山的各方面的內容,顯示得我們這次交流有點多余。他們2年前開始做智能礦山的規劃,有很多煤礦行業專家的加持,他們的描述是非常完美,但是去年底應該上線的平臺,現在還沒有看到影子。他們確實有很多場景需求,但是被... ......

    uj5u.com 2023-04-20 08:19:07 more
  • 《社區人員管理》實戰案例設計&個人案例分享

    設計是一個讓人夢想成真程序,開始編碼、測驗、除錯之前進行需求分析和架構設計,才能保證關鍵方面都做正確 ......

    uj5u.com 2023-04-20 08:18:57 more
  • 軟體架構生態化-多角色交付的探索實踐

    作為一個技術架構師,不僅僅要緊跟行業技術趨勢,還要結合研發團隊現狀及痛點,探索新的交付方案。在日常中,你是否遇到如下問題 “ 業務需求排期長研發是瓶頸;非研發角色感受不到研發技改提效的變化;引入ISV 團隊又擔心質量和安全,培訓周期長“等等,基于此我們探索了一種新的技術體系及交付方案來解決如上問題。 ......

    uj5u.com 2023-04-20 08:18:49 more
  • 05單件模式

    #經典的單件模式 public class Singleton { private static Singleton uniqueInstance; //一個靜態變數持有Singleton類的唯一實體。 // 其他有用的實體變數寫在這里 //構造器宣告為私有,只有Singleton可以實體化這個類! ......

    uj5u.com 2023-04-19 08:42:51 more
  • 【架構與設計】常見微服務分層架構的區別和落地實踐

    軟體工程的方方面面都遵循一個最基本的道理:沒有銀彈,架構分層模型更是如此,每一種都有各自優缺點,所以請根據不同的業務場景,并遵循簡單、可演進這兩個重要的架構原則選擇合適的架構分層模型即可。 ......

    uj5u.com 2023-04-19 08:42:41 more