[高性能并行系统]-多线程实现Sample-Sort(C语言版本)

本文主要介绍如何使用多线程的方式实现Sample-sort(据说是Google搜索使用的排序算法),使用的是C语言,但是其中用到了部分的C++ 标准输入输出库,接下来从下面几个步骤来进行展示:

1)sample-sort的主要思想;

2)sample-sort的多线程实现步骤详解;

3)sample-sort程序的测试;


一、sample-sort的主要思想

sample-sort其实是一种变种的桶排序[bucket sort]算法,如果你对桶排序不是清楚,可以查看此链接的博文进行了解:桶排序

input : array  to be sorted(length = n)

output:  sorted array

1.  确定sample-sort中bucket的个数 k;

2. “smartly”选择出k-1 个splitters(将整个数组分成k个bucket的分类器)

2.1 将被排序的数据均分为k个block,每个block中有(n/k)个元素,并且给每一个block进行排序;

2.2 从每个block中选出k-1 个相距间隔一样的元素,作为备选的splitter;

   2.3 对这个k*(k-1)个元素进行排序,然后在这些元素当中选择(k-1)个相距间隔一样;

的元素;

3. 使用第二个步骤中确定的(k-1)个splitters进行桶排序

具体实例可以看下图1 :

图 1  sample sort 实例详细过程


二、sample-sort的多线程实现步骤详解


步骤详解图:

图 2  步骤详解图


1)step1: 读取用户的数据 k(thread的个数,也就是bucket的个数),filename(保存原始数据的文本文件);其代码如下图3所示:

图 3  读取用户的参数代码


2)step2: 将file中的数据全部读取到 array_raw中,然后新建一个长度和array_raw长度一样的数组array_sorted;函数功能实现如下图4:

图 4  从文件中读取数据


3)step3: 根据上面描述的“智能”选择splitters的算法,将array_raw中的k-1 个splitter给找出来,其功能函数实现如下图:

图 5  找到相应的splitters

对于数据为DATA1.txt 并且 k=5 的情况下,找出的splitter如下图所示:

图 6  对应k=5时的splitters


4)Step 4: 确定每个bucket中处理数据的值的范围,确定bucket中处理好的数据放回array_sorted中的上下界

4.1确定每个bucket中处理的数据的值的范围,例如,根据上面的splitter 280648543,知道bucket1中处理的数据的值的范围为 (-inf,280648543]

4.2.确定每个bucket中处理好的数据放回到array_sorted的上下界,以免后面thread回写数据时发生冲突;例如第一个bucket-1处理的数据时100个,那么bucket-1中处理完数据之后回写到array_sorted的[0, 100]的位置当中,紧接着如果bucket-2中需要处理的数据时200个,那么其回写到array_sorted的上下界为[100,300]

其实现代码如下图7:

图 7  查找bucket处理的值的范围和边界范围

对于数据为DATA1.txt 并且 k=5 的情况下,输出的每个bucket中处理的值的范围 和 处理好的数据放回到array_sorted数组中的上下界的结果如下图8,由该结果,我们可以知道:第一个bucket处理的数据的值的范围从(-1,280648543],然后放回到array_sorted中的上下界为[0, 2804 );

图 8   查找bucket处理的值的范围和边界范围实例


5)Step 5将step4中得到的结果以参数的方式,传送给代表该bucket的thread中,该参数中包括的具体参数如下图9所示:

图 9  传给thread的参数结构体的内容

然后这一步骤5 主要完成的工作如下:

5.1. 准备好传送给k个thread的paras,新建k个threa运行,并且等待k个thread运行完成。代码如下图10 所示;

图 10  创建thread 并且等待其执行完

5.2. thread中执行的函数的主要操作是,将array_raw(原始数组)中符合其值范围的数据挑选出来,然后将这些数据进行排序,然后写回到array_sorted数组当中,其代码如下图11;

图 11  thread 执行函数代码

5.3. 所有thread执行完之后,将排好序的数据写入到DATA_SORTED1.txt和文件中,其代码如下图12;

图 12  写结果到文本文件中

DATA_SORTED1.txt的结果如下图13所示,这个时候咱们已经得到了最终的结果:

图 13  DATA1 排序之后的结果


三、sample-sort程序的测试


为了测试这个程序的正确性,对测试数据DATA1.txt,分别设置 k 为2,4,8,10进行测试,对于上面的情况,最后输出的文件当中排序都没有问题,和图12中内容是一样的,下面主要是将k=2,4,6,8,10 输出的计算过程中的结果展示出来;

1. k= 2 时,其输出的结果如下图14所示:

图 14  k=2 时的输出


2. k= 4 时,其输出的结果如下图15所示:

图 15  k=4 时的输出


3. k= 8 时,其输出的结果如下图16所示:

图 16  k=8 时的输出


4. k= 10 时,其输出的结果如下图17所示:

图 17  k=10 时的输出


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