第十二章 并發編程

如果邏輯控制流在時間上重疊，那么它們就是并發的。

使用應用級并發的應用程序稱為并發程序，三種基本的構造并發程序的方法：進程、I/O多路復用、線程

12.1基于進程的并發編程

第一步：服務器接受客戶端的連接請求

第二步：服務器派生一個子程序為這個客戶端服務

第三步：服務器接受另一個連接請求

第四步：服務器派生另一個子程序為新的客戶端服務

12.1.1 基于進程的并發服務器

必須要包括一個SIGCHLD處理程序，來回收僵死子程序的資源

為避免存儲器泄露，必須關閉各自的connfd拷貝

直到父子進程的connfd都關閉了，到客戶端的的連接才會終止

12.1.2 關于進程的優劣

父子進程間的共享狀態信息模型：共享文件表，但是不共享用戶地址信息

有獨立的地址空間：優點：一個進程不可能不小心覆蓋另一個進程的虛擬存儲器

缺點：共享狀態信息變得困難，必須使用顯式的IPC機制；比較慢

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12.2 基于I/O多路復用的并發編程

服務器必須響應兩個相互獨立的I/O事件

網絡客戶端發起連接請求

用戶在鍵盤上鍵入命令行

基本思路：使用select函數，要求內核掛起進程

Select函數有兩個輸入：1.讀集合的描述符集合 2.基數n

當且僅當一個從該描述符讀取一個字節的請求不會阻塞時，描述符k就表示準備好可以讀了

12.2.1 基于I/多路復用的并發事件驅動服務器

I/O多路復用可以用做并發事件驅動程序的基礎

一個狀態機就是一組狀態、輸入事件和轉移

自循環是同一輸入和輸出狀態之間的轉移

活動客戶端的集合維護在一個pool結構里

在通過調用init_pool初始化池之后，服務器進入一個無限循環

在循環的每次迭代中，服務器調用select函數來檢測兩種不同類型的輸入事件：

來自一個新客戶端的連接請求到達

一個已存在的客戶端的已連接描述符準備好可以讀了

Init_pool函數初始化客戶端池

Add_client函數添加一個新的客戶端到活動客戶端池中

Check_clients函數回送來自每個準備好的已連接描述符的一個文本行

I/O多路復用技術的優劣

優點：1.比基于進程的設計給了程序員更多對程序行為的控制

2.每個邏輯流都能訪問該進程的全部地址空間

缺點：1.編碼復雜 2.不能充分利用多核處理器

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12.3基于線程的并發編程

線程就是運行在進程上下文中的邏輯流

每個線程都有它自己的線程上下文，包括一個唯一的整數線程ID、棧、棧指針、程序計數器、通用目的寄存器和條件碼

所有運行在一個進程里的線程共享該進程的整個虛擬地址空間

12.3.1線程執行模型

每個進程開始生命周期時都是單一線程，這個線程稱為主線程

在某一時刻，線程創建一個對等線程，從這個時間點開始，兩個線程就并發地運行

最后，因為主線程執行一個慢速系統調用，控制就會通過上下文切換傳遞到對等線程

對等線程執行一段時間，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標準接口

Pthreads運行程序創建、殺死和回收線程，與對等線程安全地共享數據

12.3.3創建線程

Pthread_create函數

創建一個新的線程，并帶著一個輸入變量arg

在新線程的上下文中運行線程例程f

當其返回時，參數tid包含新創建線程的ID

12.3.4終止線程

方法：1.頂端線程例程返回（隱式）

2.調用pthread_exit函數（顯式）

3.某個對等線程調用Unix的exit函數

4.另一個對等線程通過以當前線程ID作為參數調用pthread_cancle函數

12.3.5 回收已終止線程的資源

調用pthread_join函數等待其他線程終止

會阻塞，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器資源

12.3.6分離線程

Pthread_detach分離可結合線程tid

線程能夠通過以pthread_self()為參數的pthread_detach調用來分離它們

12.3.7 初始化進程

Pthread_once

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12.4多線程程序中的共享變量

12.4.1 線程存儲器模型

一組并發進程運行在一個進程的上下文中

每個線程都有它自己獨立的線程上下文

12.4.2 將變量映射到存儲器

全局變量是定義在函數之外的變量

本地自動變量就是定義在函數內部但是沒有static屬性的變量

本地靜態變量是定義在函數內部并有static屬性的變量

12.4.3 共享變量

一個變量v是共享的，當且僅當它的一個實例被一個以上的變量引用

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12.5 用信號量同步線程

一般而言，沒有辦法預測操作系統是否將為線程選擇一個正確的順序，可以借助進度圖來闡明

12.5.1 進度圖

進度圖將n個并發線程的執行模型化為一條n維笛卡兒空間中的軌跡線

每條軸k對應于進程k的進度

每個點I代表進程已經完成了指令I這一狀態

圖的原點對應于沒有任何線程完成一條指令的初始狀態

進度圖將指令執行模型化為一種狀態到另一種狀態的轉換

合法的轉換是向右或者向上的

操作共享變量cnt內容的指令（L,U,S）構成了一個臨界區

兩個臨界區的交集稱為不安全區

繞開不安全區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 信號量

信號量s是具有非負整數的全局變量，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操作會重啟線程中的一個，然后s減1

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12.5.3 使用信號量來實現互斥

基本思想：將每個共享變量與一個信號量s聯系起來，用P和V操作將臨界區包圍起來

二元信號量的值總是0或1

以提供互斥為目的的信號量也稱為互斥鎖

P：加鎖 V：解鎖

一個被用作一組可用資源的計數器的信號量稱為計數信號量

關鍵思想：創建禁止區

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12.7 其他并發問題

12.7.1 線程安全

四個線程不安全函數類：

不保護共享變量的函數

保存跨越多個調用的狀態的函數

返回指向靜態變量的指針的函數

調用線程不安全函數的函數

12.7.2 可重入性

可重入函數：當它們被多個線程調用時，不會引用任何共享數據

12.7.3 在線程化的程序中使用已存在的庫函數

見p693圖12-39

除了rand和strtok，所以這些線程不安全函數都是第3類的

12.7.4 競爭

當一個程序的正確性依賴于一個線程要在另一個線程到達y點之前到達它的控制流中的x點，就會發生競爭

12.7.5 死鎖

信號量引入運行時的錯誤，叫做死鎖

一組線程被阻塞，等待一個永遠也不會為真的條件

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

參考資料：《深入理解計算機系統》

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轉載于:https://www.cnblogs.com/javablack/p/5024192.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的第十三周学习报告的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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