如何在Java中使用多线程实现2D方阵乘法？

Question

我想使用Java中的多线程功能将两个正方形2D矩阵相乘，以节省时间。

做这个的最好方式是什么？ 我的首要任务是节省时间。

请查看我编写的代码。 我正在寻找的解决方案是它将执行我的代码所执行的操作，但唯一的区别是执行时间。

多线程应该节省时间对吗？

import java.io.BufferedWriter;
import java.io.FileWriter;
import java.io.IOException;
import java.util.Arrays;
import java.util.Date;
import java.util.Scanner;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class ExtraTaskOS {

    // Generatining Random Number Method
    static int generateRandomNumber() {

        int number = (int) (Math.random() * (9 - 1)) + 1;
        return number;
    }

    public static void main(String[] args) throws IOException {

        // Store current time
        long startTime = System.nanoTime();

        Scanner sc = new Scanner(System.in);

        System.out.print("Enter number of Eelement for both Square Matrix: ");
        int n = sc.nextInt();


        // Generaing First Matrix
        int[][] matrix01 = new int[n][n];

        for (int i = 0; i < matrix01.length; i++) {
            for (int j = 0; j < matrix01.length; j++) {
                matrix01[i][j] = generateRandomNumber();
            }
        }

        // Writing Matrix01 to Text File
        StringBuilder builder = new StringBuilder();
        for (int i = 0; i < matrix01.length; i++)//for each row
        {
            for (int j = 0; j < matrix01.length; j++)//for each column
            {
                builder.append(matrix01[i][j] + "");//append to the output string
                if (j < matrix01.length - 1)//if this is not the last row element
                {
                    builder.append(",");//then add comma (if you don't like commas you can use spaces)
                }
            }
            builder.append("\n");//append new line at the end of the row
        }
        BufferedWriter writer = new BufferedWriter(new FileWriter("matrix01.txt"));
        writer.write(builder.toString());//save the string representation of the board
        writer.close();

        // Generating Second Matix
        int[][] matrix02 = new int[n][n];

        for (int i = 0; i < matrix02.length; i++) {
            for (int j = 0; j < matrix02.length; j++) {
                matrix02[i][j] = generateRandomNumber();
            }
        }

        // Writing Matrix02 to Text File
        StringBuilder builder2 = new StringBuilder();

        for (int i = 0; i < matrix02.length; i++)//for each row
        {
            for (int j = 0; j < matrix02.length; j++)//for each column
            {
                builder2.append(matrix02[i][j] + "");//append to the output string
                if (j < matrix02.length - 1)//if this is not the last row element
                {
                    builder2.append(",");//then add comma (if you don't like commas you can use spaces)
                }
            }
            builder2.append("\n");//append new line at the end of the row
        }
        BufferedWriter writer2 = new BufferedWriter(new FileWriter("matrix02.txt"));
        writer2.write(builder2.toString());//save the string representation of the board
        writer2.close();

        // Printing both 2D Arrays
        for (int[] arr : matrix01) {
            System.out.println(Arrays.toString(arr));
        }
        System.out.println("");
        for (int[] arr : matrix02) {
            System.out.println(Arrays.toString(arr));
        }

        // Multiplying both matrix
        int[][] productTwoMatrix = new int[n][n];

        for (int i = 0; i < n; i++) {
            for (int j = 0; j < n; j++) {

              for(int k=0; k<n; k++){
                productTwoMatrix[i][j] += matrix01[i][k] * matrix02[k][j];

              }  

            }
        }

        // Printing Result
        System.out.println("\nResult: ");
        for (int[] arr : productTwoMatrix) {
            System.out.println(Arrays.toString(arr));
        }

        // Calculate Execution time
        long endTime = System.nanoTime();
        long totalTime = endTime - startTime;
        long timeInMiliSecond = (totalTime / 1_000_000);
        System.out.println("Execution Time: "+ timeInMiliSecond + " miliseconds");


    }

}

使用多线程的新代码应节省时间。

Answer 1

首先：学习如何正确评估代码。 你做

// Store current time
long startTime = System.nanoTime();

甚至在您要求用户输入之前。 然后，您进行文件IO并将各种内容打印到System.out。 提示：这些动作中的每一个动作可能要花费数百毫秒，等待人类输入数字……可能要花费数小时。 因此： 仅测量对您真正重要的部分（即乘法部分）。 测量时也要避免各种IO操作！

您会看到几百毫秒，这听起来并不多，但是当您进行正确的测量时，您会发现您的CPU可以在100毫秒内完成很多工作（如果您不会一直在进行IO工作时打扰它） 。

关于多线程，您还会遇到错误的兔子漏洞：

我想使用Java中的多线程功能将两个正方形2D矩阵相乘，以节省时间。

那（几乎）是荒谬的。 您会看到，占用大量CPU的工作负载无法从使用多个线程中获利。 最后，CPU需要转向内存，获取值，进行一些计算，然后将值写回内存。 并行执行此操作不一定会使处理速度更快。 相反，您首先必须“支付”各种罚款：

• 创建线程不是一个便宜的操作。 在确定new Thread()的价格标签之前，您必须确保处理成千上万个元素。
• 当我们讨论大型数组时（如前所述：使用多个线程时，小型数组肯定会给您带来更糟糕的结果）...那么从内存中请求顺序数据就相当重要了。 您知道，CPU有缓存。 高速缓存未命中可能非常昂贵。 猜猜当您有多个线程访问矩阵的不同部分时会发生什么？ 确实：您很可能会导致以下原因：缓存未命中。

万一我不劝阻您，而您实际上是出于学习目的而这样做，答案很简单。 矩阵乘法的工作原理是：获取一行的值，并从另一矩阵的一列中获取值，然后对它们进行乘法运算并求和。

现在：您可以让一个线程计算结果矩阵的第一行，而第二个线程计算第二行，以此类推，而不是让一个线程进入三个循环来执行这些操作。

这里的好处是：您可以简单地“切片”需要处理的数据。 没有结果值取决于其他结果，因此完全不需要同步。 您可以使用1个线程，2、4，n，几乎可以使用任意数量的线程。

我的建议是：

• 不要要求用户输入任何内容。 只需生成固定大小（例如100x100、1000x1000、10000x10000）的矩阵即可。
• 可能会为您的随机数生成器播种，以便所有乘法都对完全相同的数据进行运算。 -不要最后打印整个数组（因为如前所述：使用大数组）。 屏幕上适合的阵列太小，无法进行有意义的测量。 但是，例如， 总结一下最终矩阵（为避免JIT优化整个操作：您必须确保以某种方式使用了某些操作结果）
• 尝试编写允许您快速更改线程数而不更改任何其他内容的代码。 这样就可以使用1、2、4、8、16个线程进行多重处理。

使用完原始的“裸机”线程后，复制代码，删除所有线程内容，然后尝试使用ExecutorService实现矩阵乘法。 当这种方法可行时，请进一步研究一下期货，并思考如何在这里使用这些期货 。

如前所述：您不应该这样做来提高性能。 您编写此类代码的唯一好理由是学习如何做（正确）。