并行化实现：C语言多线程优化冒泡排序算法

# 1. C语言多线程基础概念

多线程编程是现代软件开发中不可或缺的一部分，尤其是在处理需要高度并发和并行任务的场景。本章将为读者提供C语言多线程编程的基础概念和理论支持，为进一步深入学习和实践多线程技术打下坚实的基础。

## 1.1 多线程编程简介

多线程编程允许同时执行两个或多个部分代码，使得程序能同时处理多个任务，从而提高CPU利用率和程序效率。在C语言中，可以使用POSIX线程库（pthread）来创建和管理线程。

## 1.2 线程与进程的区别

线程和进程都是操作系统可以进行运算调度的最小单位，但它们之间存在明显差异。进程是资源分配的基本单位，拥有独立的地址空间，而线程是进程中的一个执行流程，它们共享进程资源，切换速度快，通信成本低。

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

void* thread_function(void* arg) {
    // 线程执行的代码
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread_id;
    pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL);
    pthread_join(thread_id, NULL);
    return 0;
}

在上述代码中，我们创建了一个简单的线程。该代码段展示了如何在C语言中使用pthread库创建和等待线程完成执行。这段代码是理解后续章节中高级多线程编程技术的基石。

# 2. 冒泡排序算法的理论和实践

### 2.1 冒泡排序算法原理

冒泡排序是一种简单的排序算法，通过重复地遍历要排序的数列，一次比较两个元素，如果它们的顺序错误就把它们交换过来。遍历数列的工作是重复进行直到没有再需要交换，也就是说该数列已经排序完成。这个算法的名字由来是因为越小的元素会经由交换慢慢“浮”到数列的顶端。

#### 2.1.1 冒泡排序的工作机制

从数列的第一项开始，比较相邻的两项，如果第一项比第二项大，则它们的顺序错误，就交换它们的位置。对每一对相邻元素做同样的工作，从开始第一对到结尾的最后一对。在这一点，最后的元素应该会是最大的数。针对所有的元素重复以上的步骤，除了最后一个。持续每次对越来越少的元素重复上面的步骤，直到没有任何一对数字需要比较。

void bubbleSort(int arr[], int n) {
    for (int i = 0; i < n-1; i++) {     
        for (int j = 0; j < n-i-1; j++) {  
            if (arr[j] > arr[j+1]) {     
                // 交换 arr[j] 和 arr[j+1] 
                int temp = arr[j];   
                arr[j] = arr[j+1];   
                arr[j+1] = temp;   
            }
        }
    }
}

逻辑分析：上述代码中，外层循环控制总共需要进行多少轮排序，每一轮都会把一个元素放在它最终的位置上，内层循环用于比较相邻的元素并交换它们的位置（如果需要），`n-i-1` 表示每轮排序后，最大的元素都会被放到数组的末尾。

#### 2.1.2 算法的复杂度分析

冒泡排序的平均和最坏情况时间复杂度均为O(n^2)，这是因为每一轮都需要遍历整个数组。然而，最好的情况时间复杂度为O(n)，这是在输入数组已经是排序好的时候。在冒泡排序中，空间复杂度始终是O(1)，因为不需要额外空间，排序是原地进行的。

### 2.2 单线程冒泡排序实现

#### 2.2.1 C语言标准冒泡排序代码实现

在上一节中我们已经看到了冒泡排序的一个基本实现，下面是一个更加规范的实现方式，它包含了数组的初始化和验证排序前后的输出。

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>

void bubbleSort(int arr[], int n) {
    bool swapped;
    for (int i = 0; i < n-1; i++) {
        swapped = false;
        for (int j = 0; j < n-i-1; j++) {
            if (arr[j] > arr[j+1]) {
                // 交换 arr[j] 和 arr[j+1]
                int temp = arr[j];
                arr[j] = arr[j+1];
                arr[j+1] = temp;
                swapped = true;
            }
        }
        // 如果在这一轮排序中没有发生交换，则说明数组已经排序完成，可以提前结束
        if (!swapped)
            break;
    }
}

int main() {
    int arr[] = {64, 34, 25, 12, 22, 11, 90};
    int n = sizeof(arr)/sizeof(arr[0]);
    bubbleSort(arr, n);
    printf("Sorted array: \n");
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

逻辑分析：这里我们引入了一个布尔变量`swapped`，它用于在内层循环后检查是否发生了任何交换。如果没有，那么`swapped`将保持`false`，并且外面的循环将被打破，这是冒泡排序的一个优化，可以提前结束排序，当数组已经排序好时可以减少不必要的比较。

#### 2.2.2 性能基准测试与分析

基准测试是一种衡量程序在特定操作下运行性能的方法。我们可以编写一个简单的测试脚本来测量冒泡排序算法的性能。

#include <time.h>
#include <sys/time.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int arr[100000];
    // 初始化数组
    for(int i = 0; i < 100000; i++) {
        arr[i] = i;
    }
    // 开始时间
    struct timeval start, stop;
    gettimeofday(&start, NULL);

    // 执行排序
    bubbleSort(arr, 100000);
    // 结束时间
    gettimeofday(&stop, NULL);
    long seconds, useconds;
    seconds  = stop.tv_sec - start.tv_sec;
    useconds = stop.tv_usec - start.tv_usec;
    double time = seconds * 1000.0 + useconds / 1000.0;

    printf("Bubble Sort of 100000 elements took %f milliseconds \n", time);
    return 0;
}

逻辑分析：在这个性能测试代码中，我们首先生成了一个包含100,000个整数的数组，并对它进行排序。使用`gettimeofday`函数来获取排序前后的时间，然后计算出排序所消耗的时间。这种方法可以让我们了解冒泡排序在处理大量数据时的性能表现。

该测试程序使用了`struct timeval`结构体来存储时间值，然后通过计算两个时间点的差值来得到冒泡排序所用的时间。注意，`gettimeofday`函数仅在Unix系统中有效，对于其他操作系统可能需要使用其他时间函数。

在执行这个测试程序后，我们可以看到冒泡排序算法对于大型数据集的效率并不高，这是因为冒泡排序的时间复杂度较高。这样的基准测试可以帮助我们理解算法在实际使用中的性能瓶颈，并且在后续章节中我们会探讨如何通过多线程技术改进这一性能。

# 3. 多线程编程技术探索

## 3.1 多线程程序设计基础

### 3.1.1 线程的创建和管理

在现代操作系统中，线程是进行程序执行的基本单位，它允许在单个进程中同时执行多个任务。多线程编程使得应用程序能够更好地利用多核处理器的优势，提高程序的执行效率和响应速度。线程的创建和管理是多线程编程的基础，涉及线程的生成、终止以及资源的同步控制。

线程的创建一般通过系统调用完成。在C语言中，我们可以使用POSIX线程库（pthread）来创建和管理线程。下面的代码展示了如何使用pthread库创建两个线程：

#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

void* thread_function(void* arg) {
    // 线程执行的代码
    printf("线程ID: %ld\n", pthread_self());
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t thread1, thread2