C語言中的rand()和rand_r()詳解
背景
最近在學(xué)《并行程序設(shè)計(jì)導(dǎo)論》這門課,在做使用Pthreads并行化蒙特卡洛法估計(jì) π \pi π的實(shí)驗(yàn)時(shí)遇到了一個(gè)問題,使用多線程反而要比單線程要慢很多,輸出如下所示
可以看到,使用一個(gè)線程時(shí)程序運(yùn)行只需要2.89031秒,但是使用兩個(gè)線程時(shí)運(yùn)行時(shí)間竟然達(dá)到了9.14698秒。
最終發(fā)現(xiàn)了問題所在:每個(gè)線程在執(zhí)行下面的函數(shù)時(shí),生成隨機(jī)數(shù)使用了rand()函數(shù),就是這個(gè)函數(shù)的使用才導(dǎo)致多線程運(yùn)行時(shí)所需要的時(shí)間反而更長
long long total_times_in_cycle; long long local_number_toss; pthread_mutex_t times_in_cycle_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; void* do_Monte_Carlo_simulation(void* my_rank){ double offset = RAND_MAX / (double)2; long long times_in_cycle = 0; long long i; for(i = 0; i < local_number_toss; ++i){ double x = rand() / offset - 1; double y = rand() / offset - 1; if(x*x + y*y < 1){ times_in_cycle++; } } pthread_mutex_lock(×_in_cycle_mutex); total_times_in_cycle += times_in_cycle; pthread_mutex_unlock(×_in_cycle_mutex); }
rand()和rand_r()的區(qū)別
權(quán)威的解釋請參考Linux的官方文檔
這里主要說說我個(gè)人的理解。
rand()
對于rand():
srand()和rand()配套一起使用,可以認(rèn)為是進(jìn)程只生成了一個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器,所有的線程共用這個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器。每調(diào)用一次rand(),rand()都會去修改這個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器的一些參數(shù),比如說當(dāng)前種子的值。對于單線程,這樣是沒有問題的,但是對于多線程而言,這顯然會導(dǎo)致臨界段問題,為了解決該問題,可能會使用互斥量等方法,下面假設(shè)多個(gè)線程同時(shí)使用rand()的時(shí)候使用互斥量來解決該臨界段問題。如果rand()調(diào)用的次數(shù)不多,多線程也問題不大,但是對于上述蒙特卡洛法估計(jì) π \pi π的程序,需要調(diào)用很多次rand(),這可能會導(dǎo)致每個(gè)線程頻繁地對臨界段進(jìn)行上鎖和解鎖,而臨界段被上鎖后,其他線程無法完成rand()的調(diào)用從而被阻塞,這樣會導(dǎo)致效率十分低下,因此會出現(xiàn)使用多線程反而程序運(yùn)行更慢的問題。
srand()和rand()配套一起使用,可以認(rèn)為是進(jìn)程只生成了一個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器,所有的線程共用這個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器?這點(diǎn)可以用下面的程序進(jìn)行驗(yàn)證,該程序從命令行獲取要生成隨機(jī)數(shù)的數(shù)量以及線程的數(shù)量,每個(gè)線程負(fù)責(zé)生成?隨機(jī)數(shù)的數(shù)量/線程的數(shù)量?個(gè)隨機(jī)數(shù),隨機(jī)數(shù)種子設(shè)為0.
#include<stdio.h> #include<pthread.h> #include<stdlib.h> int generate_rand_count; int thread_count; // 被線程執(zhí)行的函數(shù) void* thread_func(void* my_rank){ int i; int local_rand_count = generate_rand_count / thread_count; for(i = 0; i < local_rand_count; ++i){ printf("%d ", rand()); } } int main(int argc, char* argv[]){ pthread_t* all_threads_id; // 從命令行獲取要生成的隨機(jī)數(shù)的數(shù)量以及這些隨機(jī)數(shù)由多少個(gè)線程來生成 generate_rand_count = strtol(argv[1], NULL, 10); thread_count = strtol(argv[2], NULL, 10); all_threads_id = malloc(sizeof(pthread_t) * thread_count); // 設(shè)置隨機(jī)數(shù)種子 srand(0); // 創(chuàng)建線程 int i; for(i = 0; i < thread_count; ++i){ pthread_create(&all_threads_id[i], NULL, thread_func, (void*) i); } for(i = 0; i < thread_count; ++i){ pthread_join(all_threads_id[i], NULL); } printf("\n"); free(all_threads_id); return 0; }
執(zhí)行結(jié)果如下所示
可以看到,無論使用一個(gè)線程生成10個(gè)隨機(jī)數(shù),還是說使用兩個(gè)線程來生成10個(gè)隨機(jī)數(shù),它們生成的這10個(gè)隨機(jī)數(shù)是一樣的,這也就驗(yàn)證了?所有的線程共用一個(gè)隨機(jī)數(shù)生成器?的觀點(diǎn)
rand_r()
rand_r()的聲明如下所示
int rand_r(unsigned int *seedp);
每次使用rand_r()的時(shí)候需要傳給該函數(shù)一個(gè)隨機(jī)數(shù)種子的指針,為了解決蒙特卡洛方法估計(jì) π \pi π中出現(xiàn)的問題,使用如下的代碼:
long long total_times_in_cycle; long long local_number_toss; pthread_mutex_t times_in_cycle_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; void* do_Monte_Carlo_simulation(void* my_rank){ unsigned int local_seed = time(NULL); double offset = RAND_MAX / (double)2; long long times_in_cycle = 0; long long i; for(i = 0; i < local_number_toss; ++i){ double x = rand_r(&local_seed) / offset - 1; double y = rand_r(&local_seed) / offset - 1; if(x*x + y*y < 1){ times_in_cycle++; } } pthread_mutex_lock(×_in_cycle_mutex); total_times_in_cycle += times_in_cycle; pthread_mutex_unlock(×_in_cycle_mutex); }
每個(gè)線程執(zhí)行函數(shù)do_Monte_Carlo_simulation()。
使用上面的代碼后,相當(dāng)于每個(gè)線程生成了它自己獨(dú)有的隨機(jī)數(shù)生成器,這樣就不會有臨界段問題,從而解決了多線程運(yùn)行時(shí)所需要的時(shí)間反而更長這個(gè)問題,下面為更改后程序的輸出:
總結(jié)
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