20145203 《信息安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)程：
每個(gè)邏輯控制流是一個(gè)進(jìn)程，由內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度，進(jìn)程有獨(dú)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(jī)，所有流共享同一個(gè)地址空間

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

第一節(jié) 基于進(jìn)程的并發(fā)編程

構(gòu)造并發(fā)程序最簡(jiǎn)單的方法——用進(jìn)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(jìn)程中接受客戶端連接請(qǐng)求，然后創(chuàng)建一個(gè)新的子進(jìn)程來(lái)為每個(gè)新客戶端提供服務(wù)。

需要注意的事情：

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

②必須要包括一個(gè)SIGCHLD處理程序來(lái)回收僵死子進(jìn)程的資源

③父子進(jìn)程之間共享文件表，但是不共享用戶地址空間。

3、進(jìn)程的獨(dú)立地址空間

①優(yōu)點(diǎn)：防止虛擬存儲(chǔ)器被錯(cuò)誤覆蓋

②缺點(diǎn)：開(kāi)銷高，共享狀態(tài)信息才需要IPC機(jī)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(jìn)程，只有在一個(gè)或多個(gè)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(gè)大小為n的位向量，每一位b[k]對(duì)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(gè)元素。

2、描述符能做的三件事：

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

3、什么時(shí)候可以讀？

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)

注意：

每次調(diào)用select函數(shù)時(shí)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(dòng)服務(wù)器

事件驅(qū)動(dòng)程序：將邏輯流模型化為狀態(tài)機(jī)。

狀態(tài)機(jī)：

• 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(gè)文本行

整體的流程是：

• select函數(shù)檢測(cè)到輸入事件
• add_client函數(shù)創(chuàng)建新?tīng)顟B(tài)機(jī)
• 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(shí)刪除該狀態(tài)機(jī)。

用到的函數(shù)：

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

5、I/O多路復(fù)用技術(shù)的優(yōu)劣

①優(yōu)點(diǎn)

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

②缺點(diǎn)

• 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(jìn)程流一樣由內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度，又像I/O多路復(fù)用流一樣共享同一個(gè)虛擬地址空間

線程：就是運(yùn)行在進(jìn)程上下文中的邏輯流。

1、每個(gè)線程都有它自己的線程上下文：

• 一個(gè)唯一的整數(shù)線程ID——TID
• 棧
• 棧指針
• 程序計(jì)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(gè)進(jìn)程開(kāi)始生命周期時(shí)都是單一線程——主線程，與其他進(jìn)程的區(qū)別僅有：它總是進(jìn)程中第一個(gè)運(yùn)行的線程。

②對(duì)等線程

某時(shí)刻主線程創(chuàng)建，之后兩個(gè)線程并發(fā)運(yùn)行。每個(gè)對(duì)等線程都能讀寫(xiě)相同的共享數(shù)據(jù)。

3、主線程切換到對(duì)等線程的原因：

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

② 被系統(tǒng)的間隔計(jì)時(shí)器中斷

注意：

①切換方式：上下文切換

②對(duì)等線程執(zhí)行一段時(shí)間后會(huì)控制傳遞回主線程

4、線程和進(jìn)程的區(qū)別

• 線程的上下文切換比進(jìn)程快得多
• 組織形式：
  　　　
  　　　進(jìn)程：嚴(yán)格的父子層次
  　　　線程：一個(gè)進(jìn)程相關(guān)線程組成對(duì)等（線程）池，和其他進(jìn)程的線程獨(dú)立開(kāi)來(lái)。一個(gè)線程可以殺死它的任意對(duì)等線程，或者等待他的任意對(duì)等線程終止。

5、Posix線程

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

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

這里需要提到一個(gè)萬(wàn)能函數(shù)的概念。
************************************************************************************************

萬(wàn)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(gè)就直接讓指針指向這個(gè)數(shù)據(jù)，如果是很多就將它們放到一個(gè)結(jié)構(gòu)體中，讓指針指向這個(gè)結(jié)構(gòu)體。

線程例程也是這樣的。
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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(cuò)返回非0

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

attr默認(rèn)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(gè)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(huì)先等待所有其他對(duì)等線程終止，再終止主線程和整個(gè)進(jìn)程，返回值為pthread_return
• 某個(gè)對(duì)等線程調(diào)用Unix的exit函數(shù)，會(huì)終止進(jìn)程與其相關(guān)線程
• 另一個(gè)對(duì)等線程通過(guò)以當(dāng)前線程ID作為參數(shù)調(diào)用pthread_cancle來(lái)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(cuò)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(cuò)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(gè)函數(shù)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

10、分離線程

在任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn)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(qián)，它的存儲(chǔ)器資源沒(méi)有被釋放
• 每個(gè)可結(jié)合線程要么被其他線程顯式的收回，要么通過(guò)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(chǔ)器資源在它終止時(shí)由系統(tǒng)自動(dòng)釋放

③pthread_detach函數(shù)

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

這個(gè)函數(shù)可以分離可結(jié)合線程tid。

線程能夠通過(guò)以pthread_self()為參數(shù)的pthread_detach調(diào)用來(lái)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(xiàng)

①調(diào)用pthread_create時(shí)，如何將已連接描述符傳遞給對(duì)等進(jìn)程？

傳遞一個(gè)指向這個(gè)描述符的指針。

②競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題？

見(jiàn)第七節(jié)。

③避免存儲(chǔ)器泄露？

必須分離每個(gè)線程，使它終止時(shí)它的存儲(chǔ)器資源能被收回。

第四節(jié) 多線程程序中的共享變量

一個(gè)變量是共享的，當(dāng)且僅當(dāng)多個(gè)線程引用這個(gè)變量的某個(gè)實(shí)例。

1、線程存儲(chǔ)器模型

注意：寄存器從不共享，虛擬存儲(chǔ)器總是共享的。

2、將變量映射到存儲(chǔ)器

3、共享變量

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)以上的線程引用。

第五節(jié) 用信號(hào)量同步線程

一般而言，沒(méi)有辦法預(yù)測(cè)操作系統(tǒng)是否將為你的線程選擇一個(gè)正確的順序。

所以——進(jìn)度圖

1、進(jìn)度圖

進(jìn)度圖是將n個(gè)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(diǎn)對(duì)應(yīng)于沒(méi)有任何線程完成一條指令的初始狀態(tài)。

當(dāng)n=2時(shí)，狀態(tài)比較簡(jiǎn)單，是比較熟悉的二維坐標(biāo)圖，橫縱坐標(biāo)各代表一個(gè)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(gè)線程中的一條指令完成
• 兩條指令不能在同一時(shí)刻完成，即不允許出現(xiàn)對(duì)角線
• 程序不能反向運(yùn)行，即不能出現(xiàn)向下或向左

而一個(gè)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(gè)概念：

• 臨界區(qū)：對(duì)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(gè)關(guān)于共享變量cnt的臨界區(qū)。
• 不安全區(qū)：兩個(gè)臨界區(qū)的交集形成的狀態(tài)
• 安全軌跡線：繞開(kāi)不安全區(qū)的軌跡線

2、信號(hào)量

需要注意的是，每個(gè)信號(hào)量在使用前必須初始化。

3、使用信號(hào)量來(lái)實(shí)現(xiàn)互斥

①基本思想

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

②幾個(gè)概念

• 二元信號(hào)量：用這種方式來(lái)保護(hù)共享變量的信號(hào)量叫做二元信號(hào)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(hào)量
• 加鎖：對(duì)一個(gè)互斥鎖執(zhí)行P操作
• 解鎖；對(duì)一個(gè)互斥鎖執(zhí)行V操作
• 計(jì)數(shù)信號(hào)量：被用作一組可用資源的計(jì)數(shù)器的信號(hào)量
• 禁止區(qū)：由于信號(hào)量的不變性，沒(méi)有實(shí)際可能的軌跡能夠包含禁止區(qū)中的狀態(tài)。

4、利用信號(hào)量來(lái)調(diào)度共享資源

①信號(hào)量的物理意義

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

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

②常見(jiàn)問(wèn)題

這里的常見(jiàn)問(wèn)題有生產(chǎn)者-消費(fèi)者問(wèn)題，和讀者-寫(xiě)者問(wèn)題。詳見(jiàn)課本P.670

第七節(jié) 其他并發(fā)問(wèn)題

1、線程安全性

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

2、四個(gè)不相交的線程不安全函數(shù)類以及應(yīng)對(duì)措施：

• 不保護(hù)共享變量的函數(shù)——用P和V這樣的同步操作保護(hù)共享變量
• 保持跨越多個(gè)調(diào)用的狀態(tài)的函數(shù)——重寫(xiě)，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(xiě)；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(méi)有指針，并且所有的數(shù)據(jù)引用都是本地的自動(dòng)棧變量，沒(méi)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(jìng)爭(zhēng)

①競(jìng)爭(zhēng)發(fā)生的原因：

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)。也就是說(shuō)，程序員假定線程會(huì)按照某種特殊的軌跡穿過(guò)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(duì)任何可行的軌
跡線都正確工作。

②消除方法：

動(dòng)態(tài)的為每個(gè)整數(shù)ID分配一個(gè)獨(dú)立的塊，并且傳遞給線程例程一個(gè)指向這個(gè)塊的指針

5、死鎖：

一組線程被阻塞了，等待一個(gè)永遠(yuǎn)也不會(huì)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(jì)合適的資源分配算法，不讓死鎖發(fā)生---死鎖預(yù)防；
• 動(dòng)態(tài)策略：進(jìn)程在申請(qǐng)資源時(shí)，系統(tǒng)審查是否會(huì)產(chǎn)生死鎖，若會(huì)產(chǎn)生死鎖則不分配---死鎖避免。

b.讓死鎖發(fā)生：

進(jìn)程申請(qǐng)資源時(shí)不進(jìn)行限制，系統(tǒng)定期或者不定期檢測(cè)是否有死鎖發(fā)生，當(dāng)檢測(cè)到時(shí)解決死鎖----死鎖檢測(cè)與解除。

教材學(xué)習(xí)中的問(wèn)題和解決過(guò)程

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

解決：把一個(gè)標(biāo)量地址存放在結(jié)構(gòu)中，是套接字早期實(shí)現(xiàn)的不幸產(chǎn)物。位IP地址定義一個(gè)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?yàn)橐呀?jīng)有大量的應(yīng)用是基于此的了。

問(wèn)題二：臨界區(qū)使用原則（互斥條件）

使用原則：

• 有空讓進(jìn)：如果臨界區(qū)空閑，則只要有進(jìn)程申請(qǐng)就立即讓其進(jìn)入；
• 無(wú)空等待：每次只允許一個(gè)進(jìn)程處于臨界區(qū)；
• 多中擇一：當(dāng)沒(méi)有進(jìn)程在臨界區(qū)，而同時(shí)有多個(gè)進(jìn)程要求進(jìn)入臨界區(qū)，只能讓其中之一進(jìn)入臨界區(qū)，其他進(jìn)程必須等待；
• 讓權(quán)等待：進(jìn)入臨界區(qū)的進(jìn)程，不能在臨界區(qū)內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間阻塞等待某事件，使其它進(jìn)程在臨界區(qū)外無(wú)限期等待；
  不能限制進(jìn)程的并發(fā)數(shù)量和執(zhí)行進(jìn)度。

問(wèn)題三：信號(hào)量實(shí)現(xiàn)互斥的基本原理

基本原理：

• 兩個(gè)或多個(gè)進(jìn)程通過(guò)傳遞信號(hào)進(jìn)行合作，可以迫使進(jìn)程在某個(gè)位置暫時(shí)停止執(zhí)行（阻塞等待），直到它收到一個(gè)可以“向前推進(jìn)”的信號(hào)（被喚醒）；
• 將實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈作用的變量稱為信號(hào)量，常定義為記錄型變量s，其一個(gè)域?yàn)檎?#xff0c;另一個(gè)域?yàn)殛?duì)列，其元素為等待該信號(hào)量的阻塞進(jìn)程(FIFO)。

• 信號(hào)量定義：

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

定義對(duì)信號(hào)量的兩個(gè)原子操作——P和V

P（wait）

wait(s)
s.count :=s.count-1;
if s.count<0 then
begin
進(jìn)程阻塞；
進(jìn)程進(jìn)入s.queue隊(duì)列；
end;

V（signal）

signal(s)
s.count :=s.count+1;
if s.count ≤0 then
begin
喚醒隊(duì)首進(jìn)程；
將進(jìn)程從s.queue阻塞隊(duì)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(xì)講，但是需要注意的是，課本中講述問(wèn)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(jìn)理解，這樣使得學(xué)習(xí)起來(lái)更輕松，也更全面。

本周代碼托管截圖

代碼鏈接

學(xué)習(xí)進(jìn)度條

代碼行數(shù)（新增/累積）博客量（新增/累積）學(xué)習(xí)時(shí)間（新增/累積）重要成長(zhǎng)

目標(biāo)	5000行	30篇	400小時(shí)
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(jì)算機(jī)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?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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