c - 使用串行和多线程实现程序蒙特卡罗计算pi

Question

当我实现蒙特卡罗方法的解决方案来计算 pi 数时，其中以圆心为中心的圆具有坐标 (0,0) ，半径为1，内接于正方形，给定公式如下:pi = 4 * (number of points in circle) / (total number of points ) .我使用 2 个程序实现了该解决方案 serial.c (单进程)和 multithread.c (多线程进程)来比较这两种解决方案的执行速度。

程序serial.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <math.h>

void circle_point();
static long int total_point;
static long int count_circle=0;
clock_t start_time, end_time;

int main(int argc, char *argv[]){
    if(argc==1){
       printf("Enter number point\n");
       return -1;
    }

    if(argc!=2){
       printf("Argument is wrong\n");
       return -1;
    }
   total_point=atoll(argv[1]);

   start_time=clock();
   circle_point();
   double pi=4.0*(double)count_circle/(double)total_point;
   end_time=clock();

   printf("PI = %17.15f\n",pi);
   printf("Time to compute= %g second\n",(double)(end_time-start_time)/CLOCKS_PER_SEC);
   return 0;
}

void circle_point(){
   srand(time(NULL));
   int i;
   for(i=0;i<total_point;i++){
       double x= (double)rand()/(double)RAND_MAX;
       double y=(double)rand()/(double)RAND_MAX;
       double r= sqrt(x*x+y*y);
       if(r<=1) count_circle+=1;
    }
}

程序多线程.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <math.h>
#include <pthread.h>

#define NUM_THREAD 4

void* circle_point(void *param);

pthread_t tid[NUM_THREAD]={0};
int count[NUM_THREAD]={0};
clock_t start_time, end_time;
static long int total_point;
static long int count_circle=0;


int main(int argc, char const *argv[]){
   if(argc==1){
       printf("Enter number point\n");
       return -1;
      }

   if(argc!=2){
       printf("Argument is wrong\n");
       return -1;
     }

   total_point=atoll(argv[1])/NUM_THREAD;

   start_time= clock();
   srand(time(NULL));
   static int i;
   for(i=0; i<NUM_THREAD;i++)
   pthread_create(&tid[i],NULL,circle_point,&count[i]);
   for(i=0;i<NUM_THREAD;i++){
       pthread_join(tid[i],NULL);
       count_circle+=count[i];
     }
   double pi=4.0*(double)count_circle/(double)total_point/(double)NUM_THREAD;
   end_time=clock();

   printf("PI = %17.15f\n",pi);
   printf("Time to compute= %g second\n",(double)(end_time-start_time)/CLOCKS_PER_SEC);
   return 0;
  }

 void* circle_point(void *param){
   int *pcount= (int*)param;
   int i;
   for(i=0; i<total_point;i++){
       double x= (double)rand()/(double)RAND_MAX;
       double y=(double)rand()/(double)RAND_MAX;
       double r= sqrt(x*x+y*y);
       if(r<=1) *pcount=*pcount+1;
     }
   pthread_exit(0);
 }

我遇到的问题是在总点数相同的情况下输入，例如 10^7 ，串口的执行速度为 0.45 seconds而多线程的执行速度是 6.06 seconds ，与其他输入类似，串行的执行时间总是大于多线程。我不明白我遇到了什么问题？因为从理论上讲，多线程会比串行执行得更快，所以实际上有没有像我遇到的那样串行执行速度比多线程快的情况。

Answer 1

单线程:

void circle_point(){
   srand(time(NULL));
   int i;
   for(i=0;i<total_point;i++){
       double x= (double)rand()/(double)RAND_MAX;
       double y=(double)rand()/(double)RAND_MAX;
       double r= sqrt(x*x+y*y);
       if(r<=1) count_circle+=1;
    }
}

多线程:

void* circle_point(void *param){
   int *pcount= (int*)param;
   int i;
   for(i=0; i<total_point;i++){
       double x= (double)rand()/(double)RAND_MAX;
       double y=(double)rand()/(double)RAND_MAX;
       double r= sqrt(x*x+y*y);
       if(r<=1) *pcount=*pcount+1;
     }
   pthread_exit(0);

我猜你用的是同样的 total_point对于多线程程序的每个线程，就像在单线程中一样(这意味着在这两种情况下，第二个程序中的每个线程都是 total_point = 10^7)。所以在多线程程序中，你用 NUM_THREAD * total_point来计算点。你可以试试 NUM_THREAD = 1 ，两种情况下的执行时间相似(第二个程序可能稍高一些)。或者您可以测量每个线程的执行时间来验证这一点。

如果要比较两个程序的速度，就得让多线程程序计算出和单线程一样的总点数。例如，第一个线程计算 10^7/4点，然后第二个线程计算 10^7/4积分等等。

理论上，多线程程序可以比顺序程序更快地完成，因为它所做的一些工作可以同时进行。在所有处理器上花费的时间总和将高于顺序版本(因为添加了协调的东西)，但从开始到结束所用的时间可能更短。