南京邮电大学操作系统进阶实验：多线程应用程序（选做）

实验原理及内容

利用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法计算π值的原理

Monte Carlo方法又称计算机随机模拟方法，是利用随机试验求解问题的方法。

Monte Carlo法计算π值构造一个单位正方形和一个单位圆，往整个区域内随机投入点，根据点到原点的距离判断点是否落在圆内，从而根据落在圆内的点数和在正方形内的总的点数，求出两个区域点数的比值，进而利用下面的公式求出圆周率π。

π=4*(圆内点数)/(总的点数) 其中：“圆内点”满足x2+y2≤1

2.初步实现

使用编辑器gedit新建一个monteCarlo.c源文件，并输入后面的范例代码，存盘后退出。

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<time.h>int intervals=1000;  //控制随机点的个数int main()
{clock_t start,delta;  //用于统计程序运行时间start=clock();  unsigned seed=time(NULL);int circle_points=0;int i;double pi;for(i=0;i<intervals*intervals;i++){
double rand_x=(double)rand_r(&seed)/RAND_MAX; double rand_y=(double)rand_r(&seed)/RAND_MAX;        if((rand_x*rand_x+rand_y*rand_y)<=1){circle_points++;}}pi=(4.0*circle_points)/i;printf("Cirlce points:%d, total_points:%d, the estimated PI is %lf\n",circle_points, i, pi);delta=clock()-start;printf("The time taken: %lf seconds\n",(double)delta/CLOCKS_PER_SEC);return 0;}

在终端先后执行，查看执行结果。
gcc monteCarlo.c -o monteCarlo
./ monteCarlo

3.自定义函数calculate_pi计算π值，主函数中10次调用该函数，在每次调用中增加随机点总数，比对计算结果和运行时间。

使用编辑器gedit新建一个mcMultitask.c源文件，并输入后面的范例代码，存盘退出。

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<time.h>void calculate_pi(int intervals)
{int circle_points=0;int i;double pi;unsigned seed=time(NULL);for(i=0;i<intervals*intervals;i++){
double rand_x=(double)rand_r(&seed)/RAND_MAX; double rand_y=(double)rand_r(&seed)/RAND_MAX;   if((rand_x*rand_x+rand_y*rand_y)<=1){circle_points++;}}pi= (4.0*circle_points)/i;printf("Cirlce points:%d, total_points:%d, the estimated PI is %lf\n",circle_points, i, pi);
}int main()
{clock_t start,delta;double time_used;start=clock();for(int i=0; i<10;i++){calculate_pi(1000*(i+1));}delta=clock()-start;printf("The time taken: %lf seconds\n",(double)delta/CLOCKS_PER_SEC);return 0;}

在Terminal中先后执行下述两条命令，查看并说明执行结果。

gcc mcMultitask.c -o mcMultitask

time ./mcMultitask

注：time命令获取其后命令的执行时间，其中包括命令的实际运行时间（real time），以及运行在用户态的时间（user time）和内核态的时间（sys time）。

4.通过多线程编程，改写上述mcMultitask.c，对执行结果进行分析比对。

使用编辑器gedit新建一个mcMultithreads.c源文件，并输入后面的范例代码，存盘退出。

#include<stdio.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<stdlib.h>
#include<time.h>
#include<pthread.h>void* calculate_pi(void* arg)
{int circle_points=0;int i;double pi;int intervals=*((int*)arg);  //线程函数参数用于控制循环次数unsigned seed=time(NULL);for(i=0;i<intervals*intervals;i++){double rand_x=(double)rand_r(&seed)/RAND_MAX;     // rand()函数不适用于并行计算double rand_y=(double)rand_r(&seed)/RAND_MAX;if((rand_x*rand_x+rand_y*rand_y)<=1){circle_points++;}}pi= (4.0*circle_points)/ i;printf("Cirlce points:%d, total_points:%d, the estimated PI is %lf\n",circle_points, i, pi);pthread_exit(0);
}int main()
{clock_t start,delta;double time_used;   start=clock();pthread_t calculate_pi_threads[10]; //用于存放10个线程函数的idint args[10];  //用于存放10个线程函数的参数for(int i=0; i<10;i++){args[i]=1000*(i+1);pthread_create(calculate_pi_threads+i, NULL, calculate_pi, args+i);}for(int i=0;i<10;i++){pthread_join(calculate_pi_threads[i],NULL);}delta=clock()-start;printf("The time taken: %lf seconds\n",(double)delta/CLOCKS_PER_SEC);return 0;
}

在Terminal先后执行下述2条命令，查看执行结果，对比mcMultitask的执行结果，理解多线程并发执行对计算性能的提升。

gcc mcMultithreads.c -o mcMultithreads -pthread

time ./mcMultithreads

关闭虚拟机，编辑虚拟机设置，尝试调整处理器数量和/或每个处理器的内核数量，再次执行和对比以下命令的运行时间。

time ./mcMultitask

time ./mcMultithreads

time命令获取其后命令的执行时间，其中包括命令的实际运行时间（real time），以及运行在用户态的时间（user time）和内核态的时间（sys time）。

南京邮电大学操作系统进阶实验：多线程应用程序（选做）

实验原理及内容

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