OpenMP编程（5）—同步结构（master、critical、barrier、atomic、flush、ordered）

OpenMP的同步结构（Synchronization Constructs）指令包master、critical、barrier、atomic、flush、ordered等

1. master指令

master指令指定的区域只由主线程执行，团队中其他线程都跳过该区域代码本指令没有隐含的barrier，即其他线程不用再master区域结束处同步，可立即执行后续代码。 代码示例如下 #pragma omp parallel { #pragma omp master { printf("in master thread %d\n", omp_get_thread_num()); } printf("out master thread %d\n", omp_get_thread_num()); }

运行结果如下，可见只有主线程0执行了master区域代码。

2. critical指令

critical指令指定的代码区域，一次只能由一个线程执行。如果一个线程当前正在一个critical区域内执行，而另一个线程到达该区域并试图执行它，它将阻塞，直到第一个线程退出该区域。

其语法格式如下

#pragma omp critical [ name ] newline structured_block

其中有一个可选名称选项，该选项允许存在多个不同的critical区域，其特性如下：

该名称充当critical区域全局标识符，相同名称的不同临界区域被视为同一区域。所有未命名的critical区域均视为同一区域。 critical用法很简单，下面演示下命名critical的特性

2. 1 不同名称的多个critical区域

代码示例如下：

#pragma omp parallel sections { #pragma omp section { #pragma omp critical (critical1) { for (int i=0; i < 5; i++) { printf("section1 thread %d excute i = %d\n", omp_get_thread_num(), i); Sleep(200); } } } #pragma omp section { #pragma omp critical (critical2) { for (int j=0; j < 5; j++) { printf("section2 thread %d excute j = %d\n", omp_get_thread_num(), j); Sleep(200); } } } }

运行结果如下，由于两个section中采用了不同名字的critical，所以两个线程能分别同时运行各自的临界区代码。

2. 2 相同名称的多个critical区域

代码示例如下：

#pragma omp parallel sections { #pragma omp section { #pragma omp critical (critical1) { for (int i=0; i < 5; i++) { printf("section1 thread %d excute i = %d\n", omp_get_thread_num(), i); Sleep(200); } } } #pragma omp section { #pragma omp critical (critical1) { for (int j=0; j < 5; j++) { printf("section2 thread %d excute j = %d\n", omp_get_thread_num(), j); Sleep(200); } } } }

运行结果如下，两个section本来是两个线程并行处理的，但由于采用了相同名字的critical将两个区域的代码包围，根据前面所说的相同名字的不同临界区属于同一区域，只有一个线程能进入，因此两个section线程是串行的。 尤其要注意如果多个临界区未命名，则也属于同一区域，那么只有一个线程能进入其中一个临界区。

3. barrier指令

barrier指令同步团队中的所有线程。组内任何线程到达barrier指令时将在该点等待，直到所有其他线程都到达该barrier处为止。然后所有线程才继续并行执行后续代码。 代码示例如下 #pragma omp parallel { printf("thread %d excute first print\n", omp_get_thread_num()); #pragma omp barrier printf("thread %d excute second print\n", omp_get_thread_num()); }

当无barrier和有barrier时，运行结果分别如下。可见，有barrier时，各线程在完成第一条打印后，会在barrier后同步后，在执行第二条打印。

4. atomic指令

atomic指令指定必须以原子方式更新某变量的内存，而不是让多个线程尝试对其进行写入。该指令提供了一个最小的关键区，其效率比关键区高。 看如下的示例： int x=0; #pragma omp parallel num_threads(6) { for(int i=0; i<100000; ++i) x++; } printf("%d", x);

本来有6个线程，每个执行100000次循环，则x的预期值是600000，但实际结果小于该值，原因如下： x++的汇编指令如下三条： LOAD A, (x address) ADD A, 1 STORE A, (x address) 当两个线程都在执行该指令时，可能会出现如下情况： 线程1将x内存值加载到寄存器A中。 线程2将x内存值加载到寄存器A中。 线程1对寄存器A增加1 线程2对寄存器A增加1 线程1将寄存器A存储到x内存 线程2将寄存器A存储到x内存 则运行完毕后，x不是增加2，而是增加1。 如何高效避免该问题，可以按如下采用atomic指令（当然采用critical也可以，只不过atomic效率更高）

int x=0; #pragma omp parallel num_threads(6) { for(int i=0; i<100000; ++i) #pragma omp atomic x++; } printf("%d", x);

该程序运行后，x值为600000。

5. flush指令

flush指令标识一个同步点，在该点上list中的变量都要被写回内存，而不是暂存在寄存器中，这样保证多线程数据的一致性。由于线程将共享变量更新后，其值可能暂存在寄存器中，并没有写到变量所在内存中，这样会导致其他线程不知道该更新而使用共享变量的旧值进行运算，可能会得到错误的结果。通过使用flush指令，要求相应的变量值刷新到内存中，从而保证线程读取到的共享变量的最新值。以下指令隐含flush操作：barrier、parallel 、critical 、ordered、for 、sections、single。

6. ordered指令

ordered指令指定区域的循环迭代将按串行顺序执行，与单个处理器处理结果顺序一致ordered指令只能用在for或parallel for中 代码示例如下 #pragma omp parallel { #pragma omp for ordered for (int i = 0; i < 10; ++i) { #pragma omp ordered { printf("thread %d excute i = %d\n", omp_get_thread_num(), i); } } }

运行结果如下，可以看出因为增加了ordered指令，for循环是按照i从小到大顺序执行的。