20145203 《信息安全系統(tǒng)設(shè)計基礎(chǔ)》第十三周學(xué)習(xí)總結(jié)

第十二章 并發(fā)編程

教材學(xué)習(xí)內(nèi)容總結(jié)

緒論

三種基本的構(gòu)造并發(fā)程序的方法：

①進程：
每個邏輯控制流是一個進程，由內(nèi)核進行調(diào)度，進程有獨立的虛擬地址空間

②I/O多路復(fù)用：
邏輯流被模型化為狀態(tài)機，所有流共享同一個地址空間

③線程：
運行在單一進程上下文中的邏輯流，由內(nèi)核進行調(diào)度，共享同一個虛擬地址空間

第一節(jié) 基于進程的并發(fā)編程

構(gòu)造并發(fā)程序最簡單的方法——用進程

1、常用函數(shù)如下：

• fork
• exec
• waitpid

2、構(gòu)造并發(fā)服務(wù)器

在父進程中接受客戶端連接請求，然后創(chuàng)建一個新的子進程來為每個新客戶端提供服務(wù)。

需要注意的事情：

①父進程需要關(guān)閉它的已連接描述符的拷貝（子進程也需要關(guān)閉）

②必須要包括一個SIGCHLD處理程序來回收僵死子進程的資源

③父子進程之間共享文件表，但是不共享用戶地址空間。

3、進程的獨立地址空間

①優(yōu)點：防止虛擬存儲器被錯誤覆蓋

②缺點：開銷高，共享狀態(tài)信息才需要IPC機制

第二節(jié) 基于I/O多路復(fù)用的并發(fā)編程

就是使用select函數(shù)要求內(nèi)核掛起進程，只有在一個或多個I/O事件發(fā)生后，才將控制返回給應(yīng)用程序。

1、select函數(shù)：select函數(shù)處理類型為fd_set的集合，即描述符集合，并在邏輯上描述為一個大小為n的位向量，每一位b[k]對應(yīng)描述符k，但當(dāng)且僅當(dāng)b[k]=1，描述符k才表明是描述符集合的一個元素。

2、描述符能做的三件事：

• 分配他們
• 將一個此種類型的變量賦值給另一個變量
• 用FD_ZERO、FD_SET、FD_CLR和FD_ISSET宏指令來修改和檢查它們

3、什么時候可以讀？

當(dāng)且僅當(dāng)一個從該描述符讀取一個字節(jié)的請求不會阻塞時

注意：

每次調(diào)用select函數(shù)時都需要更新讀集合

4、基于I/O多路復(fù)用的并發(fā)事件驅(qū)動服務(wù)器

事件驅(qū)動程序：將邏輯流模型化為狀態(tài)機。

狀態(tài)機：

• 狀態(tài)：等待描述符d[k]準(zhǔn)備好可讀
• 輸入事件：描述符d[k]準(zhǔn)備好，可以讀了
• 轉(zhuǎn)移：從描述符d[k]讀一個文本行

整體的流程是：

• select函數(shù)檢測到輸入事件
• add_client函數(shù)創(chuàng)建新狀態(tài)機
• check_clients函數(shù)執(zhí)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移（在課本的例題中是回送輸入行），并且完成時刪除該狀態(tài)機。

用到的函數(shù)：

• init_pool：初始化客戶端池
• add_client：添加一個新的客戶端到活動客戶端池中
• check_clients：回送來自每個準(zhǔn)備好的已連接描述符的一個文本行

5、I/O多路復(fù)用技術(shù)的優(yōu)劣

①優(yōu)點

• 相較基于進程的設(shè)計，給了程序員更多的對程序程序的控制
• 運行在單一進程上下文中，所以每個邏輯流都可以訪問該進程的全部地址空間，共享數(shù)據(jù)容易實現(xiàn)
• 可以使用GDB調(diào)試
• 高效

②缺點

• 編碼復(fù)雜
• 不能充分利用多核處理器

第三節(jié) 基于線程的并發(fā)編程

這種模式混合了以上兩種方法：像進程流一樣由內(nèi)核進行調(diào)度，又像I/O多路復(fù)用流一樣共享同一個虛擬地址空間

線程：就是運行在進程上下文中的邏輯流。

1、每個線程都有它自己的線程上下文：

• 一個唯一的整數(shù)線程ID——TID
• 棧
• 棧指針
• 程序計數(shù)器
• 通用目的寄存器
• 條件碼

2、線程執(zhí)行模型

①主線程

在每個進程開始生命周期時都是單一線程——主線程，與其他進程的區(qū)別僅有：它總是進程中第一個運行的線程。

②對等線程

某時刻主線程創(chuàng)建，之后兩個線程并發(fā)運行。每個對等線程都能讀寫相同的共享數(shù)據(jù)。

3、主線程切換到對等線程的原因：

①主線程執(zhí)行一個慢速系統(tǒng)調(diào)用，如read或sleep

② 被系統(tǒng)的間隔計時器中斷

注意：

①切換方式：上下文切換

②對等線程執(zhí)行一段時間后會控制傳遞回主線程

4、線程和進程的區(qū)別

• 線程的上下文切換比進程快得多
• 組織形式：
  　　　
  　　　進程：嚴格的父子層次
  　　　線程：一個進程相關(guān)線程組成對等（線程）池，和其他進程的線程獨立開來。一個線程可以殺死它的任意對等線程，或者等待他的任意對等線程終止。

5、Posix線程

Posix線程是C程序中處理線程的一個標(biāo)準(zhǔn)接口。基本用法是：

• 線程的代碼和本地數(shù)據(jù)被封裝在一個線程例程中
• 每個線程例程都以一個通用指針為輸入，并返回一個通用指針。

這里需要提到一個萬能函數(shù)的概念。
************************************************************************************************

萬能函數(shù)：

void func(void parameter)
typedef void (uf)(void para)

使用思想：即輸入的是指針，指向真正想要傳到函數(shù)里的數(shù)據(jù)，如果只有一個就直接讓指針指向這個數(shù)據(jù)，如果是很多就將它們放到一個結(jié)構(gòu)體中，讓指針指向這個結(jié)構(gòu)體。

線程例程也是這樣的。
************************************************************************************************

6、創(chuàng)建線程

①.創(chuàng)建線程：pthread_create函數(shù)

　　　#include <pthread.h>
typedef void (func)(void );

int pthread_create(pthread_t *tid, pthread_attr_t *attr, func *f, void *arg);成功返回0，出錯返回非0

創(chuàng)建一個新的線程，帶著一個輸入變量arg，在新線程的上下文運行線程例程f。

attr默認為NULL

參數(shù)tid中包含新創(chuàng)建線程的ID

7、查看線程ID——pthread_self函數(shù)

　　　#include <pthread.h>

pthread_t pthread_self(void);返回調(diào)用者的線程ID（TID）

8、終止線程

①終止線程的幾個方式：

• 隱式終止：頂層的線程例程返回
• 顯示終止：調(diào)用pthread_exit函數(shù)
  *如果主線程調(diào)用，會先等待所有其他對等線程終止，再終止主線程和整個進程，返回值為pthread_return
• 某個對等線程調(diào)用Unix的exit函數(shù)，會終止進程與其相關(guān)線程
• 另一個對等線程通過以當(dāng)前線程ID作為參數(shù)調(diào)用pthread_cancle來終止當(dāng)前線程

②pthread_exit函數(shù)

#include <pthread.h>void pthread_exit(void *thread_return);若成功返回0，出錯為非0

③pthread_cancle函數(shù)

#include <pthread.h>void pthread_cancle(pthread_t tid);若成功返回0，出錯為非0

9、回收已終止線程的資源：pthread_join函數(shù)

#include <pthread.h>int pthread_join(pthread_t tid,void **thrad_return);

這個函數(shù)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

10、分離線程

在任何一個時間點上，線程是可結(jié)合的，或是分離的。

①可結(jié)合的線程

• 能夠被其他線程收回其資源和殺死
• 被收回錢，它的存儲器資源沒有被釋放
• 每個可結(jié)合線程要么被其他線程顯式的收回，要么通過調(diào)用pthread_detach函數(shù)被分離

②分離的線程

• 不能被其他線程回收或殺死
• 存儲器資源在它終止時由系統(tǒng)自動釋放

③pthread_detach函數(shù)

#include <pthread.h>void pthread_detach(pthread_t tid);若成功返回0，出錯為非0

這個函數(shù)可以分離可結(jié)合線程tid。

線程能夠通過以pthread_self()為參數(shù)的pthread_detach調(diào)用來分離他們自己。

11、初始化線程：pthread_once函數(shù)

#include <pthread.h> pthread_once_t once_control = PTHREAD_ONCE_INIT;int pthread_once(pthread_once_t *once_control, void (*init_routine)(void));總是返回0

12、基于線程的并發(fā)服務(wù)器中的注意事項

①調(diào)用pthread_create時，如何將已連接描述符傳遞給對等進程？

傳遞一個指向這個描述符的指針。

②競爭問題？

見第七節(jié)。

③避免存儲器泄露？

必須分離每個線程，使它終止時它的存儲器資源能被收回。

第四節(jié) 多線程程序中的共享變量

一個變量是共享的，當(dāng)且僅當(dāng)多個線程引用這個變量的某個實例。

1、線程存儲器模型

注意：寄存器從不共享，虛擬存儲器總是共享的。

2、將變量映射到存儲器

3、共享變量

變量v是共享的——當(dāng)且僅當(dāng)它的一個實例被一個以上的線程引用。

第五節(jié) 用信號量同步線程

一般而言，沒有辦法預(yù)測操作系統(tǒng)是否將為你的線程選擇一個正確的順序。

所以——進度圖

1、進度圖

進度圖是將n個并發(fā)線程的執(zhí)行模型化為一條n維笛卡爾空間中的軌跡線，原點對應(yīng)于沒有任何線程完成一條指令的初始狀態(tài)。

當(dāng)n=2時，狀態(tài)比較簡單，是比較熟悉的二維坐標(biāo)圖，橫縱坐標(biāo)各代表一個線程，而轉(zhuǎn)換被表示為有向邊

①轉(zhuǎn)換規(guī)則：

• 合法的轉(zhuǎn)換是向右或者向上，即某一個線程中的一條指令完成
• 兩條指令不能在同一時刻完成，即不允許出現(xiàn)對角線
• 程序不能反向運行，即不能出現(xiàn)向下或向左

而一個程序的執(zhí)行歷史被模型化為狀態(tài)空間中的一條軌跡線。

②線程循環(huán)代碼的分解：

• H：在循環(huán)頭部的指令塊
• L：加載共享變量cnt到線程i中寄存器%eax的指令。
• U：更新（增加）%eax的指令
• S：將%eax的更新值存回到共享變量cnt的指令
• T：循環(huán)尾部的指令塊

③幾個概念：

• 臨界區(qū)：對于線程i，操作共享變量cnt內(nèi)容的指令L,U,S構(gòu)成了一個關(guān)于共享變量cnt的臨界區(qū)。
• 不安全區(qū)：兩個臨界區(qū)的交集形成的狀態(tài)
• 安全軌跡線：繞開不安全區(qū)的軌跡線

2、信號量

需要注意的是，每個信號量在使用前必須初始化。

3、使用信號量來實現(xiàn)互斥

①基本思想

將每個共享變量（或者一組相關(guān)的共享變量）與一個信號量s（初始為1）聯(lián)系起來，然后用P和V操作將相應(yīng)的臨界區(qū)包圍起來。

②幾個概念

• 二元信號量：用這種方式來保護共享變量的信號量叫做二元信號量，取值總是0或者1.
• 互斥鎖：以提供互斥為目的的二元信號量
• 加鎖：對一個互斥鎖執(zhí)行P操作
• 解鎖；對一個互斥鎖執(zhí)行V操作
• 計數(shù)信號量：被用作一組可用資源的計數(shù)器的信號量
• 禁止區(qū)：由于信號量的不變性，沒有實際可能的軌跡能夠包含禁止區(qū)中的狀態(tài)。

4、利用信號量來調(diào)度共享資源

①信號量的物理意義

• s.count >0表示還可執(zhí)行wait(s)而不會阻塞的進程數(shù)（可用資源數(shù)）。每執(zhí)行一次wait(s)操作，就意味著請求分配一個單位的資源。

• 當(dāng)s.count ≤0時，表示已無資源可用，因此請求該資源的進程被阻塞。此時，s.count的絕對值等于該信號量阻塞隊列中的等待進程數(shù)。執(zhí)行一次signal操作，就意味著釋放一個單位的資源。若s.count<0，表示s.queue隊列中還有被阻塞的進程，需要喚醒該隊列中的第一個進程，將它轉(zhuǎn)移到就緒隊列中。

②常見問題

這里的常見問題有生產(chǎn)者-消費者問題，和讀者-寫者問題。詳見課本P.670

第七節(jié) 其他并發(fā)問題

1、線程安全性

一個線程是安全的，當(dāng)且僅當(dāng)被多個并發(fā)線程反復(fù)的調(diào)用時，它會一直產(chǎn)生正確的結(jié)果。

2、四個不相交的線程不安全函數(shù)類以及應(yīng)對措施：

• 不保護共享變量的函數(shù)——用P和V這樣的同步操作保護共享變量
• 保持跨越多個調(diào)用的狀態(tài)的函數(shù)——重寫，不用任何static數(shù)據(jù)。
• 返回指向靜態(tài)變量的指針的函數(shù)——①重寫；②使用加鎖-拷貝技術(shù)。
• 調(diào)用線程不安全函數(shù)的函數(shù)——參考之前三種

3、可重入性

①顯式可重入的：

所有函數(shù)參數(shù)都是傳值傳遞，沒有指針，并且所有的數(shù)據(jù)引用都是本地的自動棧變量，沒有引用靜態(tài)或全劇變量。

②隱式可重入的：

調(diào)用線程小心的傳遞指向非共享數(shù)據(jù)的指針。

4、競爭

①競爭發(fā)生的原因：

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。也就是說，程序員假定線程會按照某種特殊的軌跡穿過執(zhí)行狀態(tài)空間，忘了一條準(zhǔn)則規(guī)定：線程化的程序必須對任何可行的軌
跡線都正確工作。

②消除方法：

動態(tài)的為每個整數(shù)ID分配一個獨立的塊，并且傳遞給線程例程一個指向這個塊的指針

5、死鎖：

一組線程被阻塞了，等待一個永遠也不會為真的條件。

①條件

②解決死鎖的方法

a.不讓死鎖發(fā)生：

• 靜態(tài)策略：設(shè)計合適的資源分配算法，不讓死鎖發(fā)生---死鎖預(yù)防；
• 動態(tài)策略：進程在申請資源時，系統(tǒng)審查是否會產(chǎn)生死鎖，若會產(chǎn)生死鎖則不分配---死鎖避免。

b.讓死鎖發(fā)生：

進程申請資源時不進行限制，系統(tǒng)定期或者不定期檢測是否有死鎖發(fā)生，當(dāng)檢測到時解決死鎖----死鎖檢測與解除。

教材學(xué)習(xí)中的問題和解決過程

問題一：為什么要用結(jié)構(gòu)體來存放標(biāo)量IP地址？

解決：把一個標(biāo)量地址存放在結(jié)構(gòu)中，是套接字早期實現(xiàn)的不幸產(chǎn)物。位IP地址定義一個標(biāo)量類型應(yīng)該跟更有意義，但是現(xiàn)在更該已經(jīng)太遲了，因為已經(jīng)有大量的應(yīng)用是基于此的了。

問題二：臨界區(qū)使用原則（互斥條件）

使用原則：

• 有空讓進：如果臨界區(qū)空閑，則只要有進程申請就立即讓其進入；
• 無空等待：每次只允許一個進程處于臨界區(qū)；
• 多中擇一：當(dāng)沒有進程在臨界區(qū)，而同時有多個進程要求進入臨界區(qū)，只能讓其中之一進入臨界區(qū)，其他進程必須等待；
• 讓權(quán)等待：進入臨界區(qū)的進程，不能在臨界區(qū)內(nèi)長時間阻塞等待某事件，使其它進程在臨界區(qū)外無限期等待；
  不能限制進程的并發(fā)數(shù)量和執(zhí)行進度。

問題三：信號量實現(xiàn)互斥的基本原理

基本原理：

• 兩個或多個進程通過傳遞信號進行合作，可以迫使進程在某個位置暫時停止執(zhí)行（阻塞等待），直到它收到一個可以“向前推進”的信號（被喚醒）；
• 將實現(xiàn)信號燈作用的變量稱為信號量，常定義為記錄型變量s，其一個域為整型，另一個域為隊列，其元素為等待該信號量的阻塞進程(FIFO)。

• 信號量定義：

  type semaphore=recordcount: integer;queue: list of process end; var s:semaphore;

定義對信號量的兩個原子操作——P和V

P（wait）

wait(s)
s.count :=s.count-1;
if s.count<0 then
begin
進程阻塞；
進程進入s.queue隊列；
end;

V（signal）

signal(s)
s.count :=s.count+1;
if s.count ≤0 then
begin
喚醒隊首進程；
將進程從s.queue阻塞隊列中移出;
end;

其它（思想、感悟）

本周內(nèi)容中有很多在操作系統(tǒng)課程和java web編程課程中已經(jīng)詳細講，但是需要注意的是，課本中講述問題的方式與操作系統(tǒng)課程中有些不同，本課更多是從代碼角度，兩者需要相輔相成，互相促進理解，這樣使得學(xué)習(xí)起來更輕松，也更全面。

本周代碼托管截圖

代碼鏈接

學(xué)習(xí)進度條

代碼行數(shù)（新增/累積）博客量（新增/累積）學(xué)習(xí)時間（新增/累積）重要成長

目標(biāo)	5000行	30篇	400小時
第一周	150/150	1/2	20/20
第二周	200/350	1/2	24/44
第三周	150/500	1/3	20/64
第五周	300/800	1/4	15/79
第六周	500/1300	1/5	20/99
第七周	200/1500	1/6	21/120
第九周	210/1710	1/9	10/130
第十周	530/2240	2/11	20/150
第十一周	900/3140	1/12	30/180
第十三周	1100/4240	1/17	30/210

參考資料

• 《深入理解計算機系統(tǒng)V2》學(xué)習(xí)指導(dǎo)
• ...

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/GZSdeboke/p/6160947.html

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的20145203 《信息安全系统设计基础》第十三周学习总结的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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