第十二章 并發(fā)編程

如果邏輯控制流在時(shí)間上重疊，那么它們就是并發(fā)的。

使用應(yīng)用級(jí)并發(fā)的應(yīng)用程序稱為并發(fā)程序，三種基本的構(gòu)造并發(fā)程序的方法：進(jìn)程、I/O多路復(fù)用、線程

12.1基于進(jìn)程的并發(fā)編程

第一步：服務(wù)器接受客戶端的連接請(qǐng)求

第二步：服務(wù)器派生一個(gè)子程序?yàn)檫@個(gè)客戶端服務(wù)

第三步：服務(wù)器接受另一個(gè)連接請(qǐng)求

第四步：服務(wù)器派生另一個(gè)子程序?yàn)樾碌目蛻舳朔?wù)

12.1.1 基于進(jìn)程的并發(fā)服務(wù)器

必須要包括一個(gè)SIGCHLD處理程序，來回收僵死子程序的資源

為避免存儲(chǔ)器泄露，必須關(guān)閉各自的connfd拷貝

直到父子進(jìn)程的connfd都關(guān)閉了，到客戶端的的連接才會(huì)終止

12.1.2 關(guān)于進(jìn)程的優(yōu)劣

父子進(jìn)程間的共享狀態(tài)信息模型：共享文件表，但是不共享用戶地址信息

有獨(dú)立的地址空間：優(yōu)點(diǎn)：一個(gè)進(jìn)程不可能不小心覆蓋另一個(gè)進(jìn)程的虛擬存儲(chǔ)器

缺點(diǎn)：共享狀態(tài)信息變得困難，必須使用顯式的IPC機(jī)制；比較慢

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12.2 基于I/O多路復(fù)用的并發(fā)編程

服務(wù)器必須響應(yīng)兩個(gè)相互獨(dú)立的I/O事件

網(wǎng)絡(luò)客戶端發(fā)起連接請(qǐng)求

用戶在鍵盤上鍵入命令行

基本思路：使用select函數(shù)，要求內(nèi)核掛起進(jìn)程

Select函數(shù)有兩個(gè)輸入：1.讀集合的描述符集合 2.基數(shù)n

當(dāng)且僅當(dāng)一個(gè)從該描述符讀取一個(gè)字節(jié)的請(qǐng)求不會(huì)阻塞時(shí)，描述符k就表示準(zhǔn)備好可以讀了

12.2.1 基于I/多路復(fù)用的并發(fā)事件驅(qū)動(dòng)服務(wù)器

I/O多路復(fù)用可以用做并發(fā)事件驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)

一個(gè)狀態(tài)機(jī)就是一組狀態(tài)、輸入事件和轉(zhuǎn)移

自循環(huán)是同一輸入和輸出狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移

活動(dòng)客戶端的集合維護(hù)在一個(gè)pool結(jié)構(gòu)里

在通過調(diào)用init_pool初始化池之后，服務(wù)器進(jìn)入一個(gè)無限循環(huán)

在循環(huán)的每次迭代中，服務(wù)器調(diào)用select函數(shù)來檢測兩種不同類型的輸入事件：

來自一個(gè)新客戶端的連接請(qǐng)求到達(dá)

一個(gè)已存在的客戶端的已連接描述符準(zhǔn)備好可以讀了

Init_pool函數(shù)初始化客戶端池

Add_client函數(shù)添加一個(gè)新的客戶端到活動(dòng)客戶端池中

Check_clients函數(shù)回送來自每個(gè)準(zhǔn)備好的已連接描述符的一個(gè)文本行

I/O多路復(fù)用技術(shù)的優(yōu)劣

優(yōu)點(diǎn)：1.比基于進(jìn)程的設(shè)計(jì)給了程序員更多對(duì)程序行為的控制

2.每個(gè)邏輯流都能訪問該進(jìn)程的全部地址空間

缺點(diǎn)：1.編碼復(fù)雜 2.不能充分利用多核處理器

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12.3基于線程的并發(fā)編程

線程就是運(yùn)行在進(jìn)程上下文中的邏輯流

每個(gè)線程都有它自己的線程上下文，包括一個(gè)唯一的整數(shù)線程ID、棧、棧指針、程序計(jì)數(shù)器、通用目的寄存器和條件碼

所有運(yùn)行在一個(gè)進(jìn)程里的線程共享該進(jìn)程的整個(gè)虛擬地址空間

12.3.1線程執(zhí)行模型

每個(gè)進(jìn)程開始生命周期時(shí)都是單一線程，這個(gè)線程稱為主線程

在某一時(shí)刻，線程創(chuàng)建一個(gè)對(duì)等線程，從這個(gè)時(shí)間點(diǎn)開始，兩個(gè)線程就并發(fā)地運(yùn)行

最后，因?yàn)橹骶€程執(zhí)行一個(gè)慢速系統(tǒng)調(diào)用，控制就會(huì)通過上下文切換傳遞到對(duì)等線程

對(duì)等線程執(zhí)行一段時(shí)間，然后控制傳遞回主線程

12.3.2Posix線程

Posix線程是在C程序中處理線程的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口

Pthreads運(yùn)行程序創(chuàng)建、殺死和回收線程，與對(duì)等線程安全地共享數(shù)據(jù)

12.3.3創(chuàng)建線程

Pthread_create函數(shù)

創(chuàng)建一個(gè)新的線程，并帶著一個(gè)輸入變量arg

在新線程的上下文中運(yùn)行線程例程f

當(dāng)其返回時(shí)，參數(shù)tid包含新創(chuàng)建線程的ID

12.3.4終止線程

方法：1.頂端線程例程返回（隱式）

2.調(diào)用pthread_exit函數(shù)（顯式）

3.某個(gè)對(duì)等線程調(diào)用Unix的exit函數(shù)

4.另一個(gè)對(duì)等線程通過以當(dāng)前線程ID作為參數(shù)調(diào)用pthread_cancle函數(shù)

12.3.5 回收已終止線程的資源

調(diào)用pthread_join函數(shù)等待其他線程終止

會(huì)阻塞，直到線程tid終止，將線程例程返回的（void*）指針賦值為thread_return指向的位置，然后回收已終止線程占用的所有存儲(chǔ)器資源

12.3.6分離線程

Pthread_detach分離可結(jié)合線程tid

線程能夠通過以pthread_self()為參數(shù)的pthread_detach調(diào)用來分離它們

12.3.7 初始化進(jìn)程

Pthread_once

?

12.4多線程程序中的共享變量

12.4.1 線程存儲(chǔ)器模型

一組并發(fā)進(jìn)程運(yùn)行在一個(gè)進(jìn)程的上下文中

每個(gè)線程都有它自己獨(dú)立的線程上下文

12.4.2 將變量映射到存儲(chǔ)器

全局變量是定義在函數(shù)之外的變量

本地自動(dòng)變量就是定義在函數(shù)內(nèi)部但是沒有static屬性的變量

本地靜態(tài)變量是定義在函數(shù)內(nèi)部并有static屬性的變量

12.4.3 共享變量

一個(gè)變量v是共享的，當(dāng)且僅當(dāng)它的一個(gè)實(shí)例被一個(gè)以上的變量引用

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12.5 用信號(hào)量同步線程

一般而言，沒有辦法預(yù)測操作系統(tǒng)是否將為線程選擇一個(gè)正確的順序，可以借助進(jìn)度圖來闡明

12.5.1 進(jìn)度圖

進(jìn)度圖將n個(gè)并發(fā)線程的執(zhí)行模型化為一條n維笛卡兒空間中的軌跡線

每條軸k對(duì)應(yīng)于進(jìn)程k的進(jìn)度

每個(gè)點(diǎn)I代表進(jìn)程已經(jīng)完成了指令I(lǐng)這一狀態(tài)

圖的原點(diǎn)對(duì)應(yīng)于沒有任何線程完成一條指令的初始狀態(tài)

進(jìn)度圖將指令執(zhí)行模型化為一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

合法的轉(zhuǎn)換是向右或者向上的

操作共享變量cnt內(nèi)容的指令（L,U,S）構(gòu)成了一個(gè)臨界區(qū)

兩個(gè)臨界區(qū)的交集稱為不安全區(qū)

繞開不安全區(qū)的軌跡線叫做安全軌跡線，反之，叫做不安全軌跡線

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12.5.2 信號(hào)量

信號(hào)量s是具有非負(fù)整數(shù)的全局變量，只能由兩種操作處理。

P（s）：如果s是非零的，那么P將s減1返回，如果s為零，就掛起

V（s）：將s加1，如果有任何線程阻塞在P操作等待s變成非零，那么V操作會(huì)重啟線程中的一個(gè)，然后s減1

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12.5.3 使用信號(hào)量來實(shí)現(xiàn)互斥

基本思想：將每個(gè)共享變量與一個(gè)信號(hào)量s聯(lián)系起來，用P和V操作將臨界區(qū)包圍起來

二元信號(hào)量的值總是0或1

以提供互斥為目的的信號(hào)量也稱為互斥鎖

P：加鎖 V：解鎖

一個(gè)被用作一組可用資源的計(jì)數(shù)器的信號(hào)量稱為計(jì)數(shù)信號(hào)量

關(guān)鍵思想：創(chuàng)建禁止區(qū)

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12.7 其他并發(fā)問題

12.7.1 線程安全

四個(gè)線程不安全函數(shù)類：

不保護(hù)共享變量的函數(shù)

保存跨越多個(gè)調(diào)用的狀態(tài)的函數(shù)

返回指向靜態(tài)變量的指針的函數(shù)

調(diào)用線程不安全函數(shù)的函數(shù)

12.7.2 可重入性

可重入函數(shù)：當(dāng)它們被多個(gè)線程調(diào)用時(shí)，不會(huì)引用任何共享數(shù)據(jù)

12.7.3 在線程化的程序中使用已存在的庫函數(shù)

見p693圖12-39

除了rand和strtok，所以這些線程不安全函數(shù)都是第3類的

12.7.4 競爭

當(dāng)一個(gè)程序的正確性依賴于一個(gè)線程要在另一個(gè)線程到達(dá)y點(diǎn)之前到達(dá)它的控制流中的x點(diǎn)，就會(huì)發(fā)生競爭

12.7.5 死鎖

信號(hào)量引入運(yùn)行時(shí)的錯(cuò)誤，叫做死鎖

一組線程被阻塞，等待一個(gè)永遠(yuǎn)也不會(huì)為真的條件

互斥鎖加鎖順序規(guī)則：如果對(duì)于程序中每對(duì)互斥鎖（s，t），給所有的鎖分配一個(gè)全序，每個(gè)線程按照這個(gè)順序來請(qǐng)求鎖，并且按照逆序來釋放，那么這個(gè)程序就是無死鎖的。

參考資料：《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》

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轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/javablack/p/5024192.html

總結(jié)

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