1. 并行求和

任务说明

本案例要求实现一个并行求和程序：将一个大数组（例如 10,000,000 个整数）分割为多个子区间，由多个线程分别计算局部和，最后合并得到总和，并与串行求和结果对比以验证正确性。核心目标是理解线程划分与结果合并的基本模式。

实现方案

采用 C++11 标准线程库，使用固定线程数（例如 4 或 8），将数组均匀切分为连续块，每个线程负责一个块。使用 std::atomic<long long> 或互斥锁保护全局累加变量，避免数据竞争。为简化实现，使用 std::thread 手动管理线程生命周期，不引入额外依赖。

代码实现

#include <iostream>
#include <vector>
#include <thread>
#include <atomic>
#include <chrono>
#include <cstdlib>

// 串行求和（用于验证）
long long serial_sum(const std::vector<int>& data) {
    long long sum = 0;
    for (int v : data) sum += v;
    return sum;
}

// 并行求和：将数组切分为 num_threads 块，每块由独立线程累加
long long parallel_sum(const std::vector<int>& data, int num_threads) {
    std::atomic<long long> total{0};
    size_t n = data.size();
    size_t chunk = (n + num_threads - 1) / num_threads;  // 向上取整

    std::vector<std::thread> threads;
    threads.reserve(num_threads);

    for (int t = 0; t < num_threads; ++t) {
        size_t start = t * chunk;
        size_t end = std::min(start + chunk, n);
        if (start >= n) break;  // 防止越界

        threads.emplace_back([&data, &total, start, end]() {
            long long local = 0;
            for (size_t i = start; i < end; ++i) {
                local += data[i];
            }
            total.fetch_add(local, std::memory_order_relaxed);
        });
    }

    for (auto& th : threads) th.join();
    return total.load();
}

int main() {
    const size_t N = 10'000'000;
    const int NUM_THREADS = 4;

    // 生成固定随机种子，保证可复现
    std::vector<int> data(N);
    std::srand(42);
    for (auto& v : data) v = std::rand() % 100;

    // 串行结果
    long long s_sum = serial_sum(data);

    // 并行结果
    long long p_sum = parallel_sum(data, NUM_THREADS);

    // 输出对比
    std::cout << "串行求和: " << s_sum << std::endl;
    std::cout << "并行求和: " << p_sum << std::endl;
    std::cout << "结果一致: " << (s_sum == p_sum ? "是" : "否") << std::endl;

    return 0;
}

编译与运行

g++ -std=c++11 -O2 -pthread parallel_sum.cpp -o parallel_sum
./parallel_sum

验证方法

程序输出三行信息：串行求和值、并行求和值、以及两者是否一致。判定标准：“结果一致”输出为“是”，且串行与并行数值相同。由于使用固定随机种子（42），每次运行生成的数组完全一致，因此输出结果可稳定复现。

预期输出

串行求和: 495049500
并行求和: 495049500
结果一致: 是

（注：以上数值由固定种子与固定数组长度直接推出，非实测结果。）