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。

做到这一点的最佳方法是什么？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，但唯一的区别是执行时间。

多线程应该节省时间吗？

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：了解如何正确评估您的代码。您

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

甚至之前，您都要求用户提供输入信息。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：仅仅测量对您而言确实重要的部分（即乘法部分）。测量时也要避免各种IO操作！

您会发现，几百毫秒听起来并不多，但是当您进行正确的测量时，您会发现您的CPU可以在100毫秒内完成很多事情（如果您始终不打扰的话） IO工作）。

关于多个线程，您还走错了兔子洞：

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。

（几乎）毫无意义。您会发现，占用大量CPU的工作负载并不能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：

创建线程并不便宜。在确定new Thread()的价格标签之前，您必须确定要处理成千上万个元素。
当我们谈论大型数组时（如前所述：使用多个线程时，小型数组肯定会给您更糟糕的结果）...那么，在其中请求数据顺序就显得相当重要从记忆里。您知道，CPU有缓存。高速缓存未命中可能非常昂贵。猜想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：例如，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，而不是让三个循环中的一个线程去做这些事情，等等。

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个，4个，n个线程，几乎可以使用任意数量。

我的建议：

不要询问用户任何输入。只需生成固定大小的矩阵即可，例如100x100、1000x1000、10000x10000。
也许可以为您的随机数生成器设定种子，以便所有乘法运算都在完全相同的数据上进行。 -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，在最终矩阵上进行求和（为避免JIT优化整个操作：您必须确保以某种方式使用了 some 操作结果）< / li>
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。这样您就可以使用1、2、4、8、16个线程进行多次操作。

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。当此方法起作用时，请进一步走一步，查看Futures，并思考如何在这里使用它们。

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）。

如何在Java中使用多线程实现2D方阵乘法？

1 个答案: