20135203齊岳 信息安全系統設計基礎第十三周學習總結

學習計時：8/9共小時（計劃/實際）

• 讀書：4/5

• 代碼：1/1

• 作業：1/1

• 博客：2/2

第十二章 并發編程

一、學習目標

掌握三種并發的方式：進程、線程、I/O多路復用

掌握線程控制及相關系統調用

掌握線程同步互斥及相關系統調用

二、學習任務

閱讀教材，完成課后練習（書中有參考答案）

考核：練習題把數據變換一下

加分題：課后作業最多兩人一組，互相不能重復，1星題目每人最多加一分，2星題目每人最多加二分，3星題目每人最多加三分，4星題目每人最多加四分。

三、學習過程

如果邏輯控制流在時間上重疊，那么他們就是并發的。應用級并發在以下情況中發揮作用：

• 訪問慢速I/O設備。
• 與人交互。
• 通過推遲工作以降低延遲。
• 服務多個網絡客戶端。
• 在多核機器上進行并行計算。

使用應用級并發的應用程序稱為并發程序。現代操作系統提供了三種基本的構造并發程序的方法：

• 進程。每個邏輯控制流都是一個進程，由內核來調度和維護。控制流使用顯式的進程間通信（IPC）機制。
• I/O多路復用。應用程序在一個進程的上下文中顯式地調度他們自己的邏輯流。所有的流都共享同一個地址空間。
• 線程。線程是運行在一個單一進程上下文中的邏輯流，由內核進行調度。

12.1 基于進程的并發編程

基于進程的并發服務器

• 使用SIGCHLD處理程序來回收僵死子進程的資源。
• 父進程必須關閉他們各自的connfd拷貝（已連接的描述符），避免存儲器泄露。
• 因為套接字的文件表表項中的引用計數，直到父子進程的connfd都關閉了，到客戶端的連接才會終止。

關于進程的優劣

• 在父子進程之間共享狀態信息，通過共享文件表，但是不共享用戶地址空間。
• 使用顯式的進程間通信（IPC）機制。但開銷很高，往往比較慢。

基于I/O多路復用的并發編程

使用select函數，要求內核掛起進程，只有在一個或多個I/O事件發生后，才將控制返回給應用程序。

int select(int n,fd_set *fdset,NULL,NULL,NULL);返回已經準備好的描述符的非0的個數，若出錯則為-1。

select函數處理類型為fd_set的集合，叫做描述符集合，看做一個大小為n位的向量：

bn-1,......,b1,b0

對描述符集合的處理方法：

• 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他們。
  

基于I/O多路復用的并發事件驅動服務器

I/O多路復用可以用作事件并發驅動程序的基礎。

狀態機：一組狀態、輸入事件、輸出事件和轉移。

自循環：同一輸入和輸出狀態之間的轉移。

I/O多路復用技術的優劣

• 相比基于進程的設計給了程序員更多的對進程行為的控制，運行在單一進程上下文中，每個邏輯流都能訪問全部的地址空間，在流之間共享數據很容易。
• 編碼復雜，隨著并發粒度的減小，復雜性還會上升。粒度：每個邏輯流每個時間片執行的指令數量。

12.3 基于線程的并發編程

線程：運行在進程上下文中的邏輯流，由內核自動調度，有自己的線程上下文，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。

線程執行模型

每個進程開始生命周期時都是單一線程（主線程），在某一時刻創建一個對等線程，從此開始并發地運行，最后，因為主線程執行一個慢速系統調用，或者被中斷，控制就會通過上下文切換傳遞到對等線程。

Posix線程

Posix線程是C語言中處理線程的一個標準接口，允許程序創建、殺死和回收線程，與對等線程安全的共享數據。

線程的代碼和本地數據被封裝在一個線程例程中，

創建線程

線程通過調用pthread_create來創建其他線程。

int pthread_create(pthread_t *tid,pthread_attr_t *attr,func *f,void *arg);成功則返回0，出錯則為非零

當函數返回時，參數tid包含新創建的線程的ID，新線程可以通過調用pthread_self函數來獲得自己的線程ID。

pthread_t pthread_self(void);返回調用者的線程ID。

終止線程

一個線程是通過以下方式之一來終止的。

• 當頂層的線程例程返回時，線程會隱式地終止。

• 通過調用pthread_exit函數，線程會顯式地終止

  void pthread_exit(void *thread_return);

回收已終止的線程資源

線程通過調用pthread_join函數等待其他線程終止。

int pthread_join(pthread_t tid,void **thread_return);成功則返回0，出錯則為非零

分離線程

在任何一個時間點上，線程是可結合或可分離的。一個可結合的線程能夠被其他線程收回其資源和殺死，在被回收之前，它的存儲器資源是沒有被釋放的。分離的線程則相反，資源在其終止時自動釋放。

int pthread_deacth(pthread_t tid);成功則返回0，出錯則為非零

初始化線程

pthread_once允許初始化與線程例程相關的狀態。

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

12.4 多線程程序中的共享變量

一個變量是共享的。當且僅當多個線程引用這個變量的某個實例。

線程存儲器模型

• 每個線程都有自己獨立的線程上下文，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。
• 寄存器是從不共享的,而虛擬存儲器總是共享的。
• 各自獨立的線程棧被保存在虛擬地址空間的棧區域中，并且通常是被相應的線程獨立地訪問的。

將變量映射到存儲器

• 全局變量：定義在函數之外的變量
• 本地自動變量：定義在函數內部但是沒有static屬性的變量。
• 本地靜態變量：定義在函數內部并有static屬性的變量。

共享變量

當且僅當變量的一個實例被一個以上的線程引用時,就說變量是共享的。

12.5用信號量同步線程

共享變量的同時引入了同步錯誤，即沒有辦法預測操作系統是否為線程選擇一個正確的順序。

進度圖

將n個并發線程的執行模型化為一條n維笛卡爾空間中的軌跡線，將指令模型化為從一種狀態到另一種狀態的轉換。

信號量

• P(s)：如果s是非零的，那么P將s減一，并且立即返回。如果s為零，那么就掛起這個線程，直到s變為非零。
• V(s)：將s加一，如果有任何線程阻塞在P操作等待s變為非零，那么V操作會重啟線程中的一個，然后該線程將s減一，完成他的P操作。

信號量不變性：一個正確初始化了的信號量有一個負值。

信號量操作函數：

int sem_init(sem_t *sem,0,unsigned int value);//將信號量初始化為value int sem_wait(sem_t *s);//P(s) int sem_post(sem_t *s);//V(s)

使用信號量來實現互斥

• 二元信號量（互斥鎖）：將每個共享變量與一個信號量s聯系起來，然后用P(s)（加鎖）和V(s)（解鎖）操作將相應的臨界區包圍起來。

• 禁止區：s<0，因為信號量的不變性，沒有實際可行的軌跡線能夠直接接觸不安全區的部分

12.6 使用線程來提高并行性

并行程序的加速比通常定義為：

其中，p為處理器核的數量，T為在p個核上的運行時間。

12.7 其他并發問題

線程安全

定義四個（不相交的）線程不安全函數類：

• 不保護共享變量的函數。
• 保持跨越多個調用狀態的函數。
• 返回指向靜態變量指針的函數。
• 調用線程不安全函數的函數。

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點之前到達他的控制流x點時，就會發生競爭。

為消除競爭，我么可以動態地為每個整數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。

死鎖

死鎖：一組線程被阻塞了，等待一個永遠也不會為真的條件。

• 程序員使用P和V操作順序不當，以至于兩個信號量的禁止區域重疊。
• 重疊的禁止區域引起了一組稱為死鎖區域的狀態。
• 死鎖是一個相當難的問題，因為它是不可預測的。

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，這個程序就是無死鎖的。

參考資料

1.《深入理解計算機系統》

2.《計算機操作系統》

轉載于:https://www.cnblogs.com/July0207/p/5023779.html

總結

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