学号 《信息安全系统设计基础》第13周学习总结

教材学习内容总结

第十二章 并发编程

1、并发：逻辑控制流在时间上重叠

2、并发程序：使用应用级并发的应用程序称为并发程序

3、三种基本的构造并发程序的方法：

（1）进程，用内核来调用和维护，有独立的虚拟地址空间，显式的进程间通信机制。

（2）I/O多路复用，应用程序在一个进程的上下文中显式的调度控制流。逻辑流被模型化为状态机。

（3）线程，运行在一个单一进程上下文中的逻辑流。由内核进行调度，共享同一个虚拟地址空间。

12.1 基于进程的并发编程

1、构造并发服务器的自然方法就是，在父进程中接受客户端连接请求，然后创建一个新的子进程来为每个新客户端提供服务。

2、因为父子进程中的已连接描述符都指向同一个文件表表项，所以父进程关闭它的已连接描述符的拷贝是至关重要的，而且由此引起的存储器泄露将最终消耗尽可用的存储器，使系统崩溃。

12.1.1 基于进程的并发服务器

基于进程的并发echo服务器的重点内容

（1）需要一个SIGCHLD处理程序，来回收僵死子进程的资源。

（2）父子进程必须关闭各自的connfd拷贝。对父进程尤为重要，以避免存储器泄露。

（3）套接字的文件表表项中的引用计数，直到父子进程的connfd都关闭了，到客户端的连接才会终止。

12.1.2 关于进程的优劣

注意：进程的模型：共享文件表，但不是共享用户地址空间。 优点：一个进程不可能不小心覆盖两一个进程的虚拟存储器。

缺点：独立的地址空间使得进程共享状态信息变得更加困难。进程控制和IPC的开销很高。

Unix IPC是指所有允许进程和同一台主机上其他进程进行通信的技术，包括管道、先进先出（FIFO）、系统V共享存储器，以及系统V信号量。

12.2 基于I/O多路复用的并发编程

1、echo服务器必须响应两个相互独立的I/O时间：

（1）网络客户端发起连接请求

（2）用户在键盘上键入命令行。

2、I/O多路复用技术的基本思路：使用select函数，要求内核挂起进程，只有在一个或多个I/O事件发生后，才将控制返回给应用程序。

3、将描述符集合看成是n位位向量：b（n-1），……b1，b0

每个位bk对应于描述符k，当期仅当bk=1，描述符k才表明是描述符集合的一个元素。可以做以下三件事：

（1）分配它们；

（2）将一个此种类型的变量赋值给另一个变量；

（3）用FDZERO、FDSET、FDCLR和FDISSET宏指令来修改和检查它们。

4、echo函数：将来自科幻段的每一行回送回去，直到客户端关闭这个链接。

12.2.1 基于I/O多路复用的并发时间驱动服务器

状态机就是一组状态、输入事件和转移，转移就是将状态和输入时间映射到状态，自循环是同一输入和输出状态之间的转移。

12.2.2 I/O多路复用技术的优势

事件驱动器的设计优点：

（1）比基于进程的设计给了程序员更多的对程序行为的控制

（2）运行在单一进程上下文中，因此，每个逻辑流都能访问该进程的全部地址空间，使得流之间共享数据变得很容易。

（3）不需要进程上下文切换来调度新的流。

缺点：

（1）编码复杂

（2）不能充分利用多核处理器

粒度：每个逻辑流每个时间片执行的指令数量。并发粒度就是读一个完整的文本行所需要的指令数量。

12.3 基于线程的并发编程

1、线程：运行子啊进程上下文中的逻辑流。

2、线程有自己的线程上下文，包括一个唯一的整数线程ID、栈、栈指针、程序计数器、通用目的寄存器和条件码。所有运行在一个进程里的线程共享该进程的整个虚拟地址空间。

12.3.1 线程执行模型

1、主线程：每个进程开始生命周期时都是单一线程。

对等线程：某一时刻，主线程创建的对等线程

2、线程与进程的不同：

（1）线程的上下文切换要比进程的上下文切换快得多；

（2）和一个进程相关的线程组成一个对等池，独立于其他线程创建的线程。

（3）主线程和其他线程的区别仅在于它总是进程中第一个运行的线程。

3、对等池的影响

（1）一个线程可以杀死它的任何对等线程；

（2）等待它的任意对等线程终止；

（3）每个对等线程都能读写相同的共享资源。

12.3.2 Posix线程

线程例程：线程的代码和本地数据被封装在一个线程例程中。每一个线程例程都以一个通用指针作为输入，并返回一个通用指针。

12.3.3 创建线程

pthread create函数创建一个新的线程，并带着一个输入变量arg，在新线程的上下文中运行线程例程f。新线程可以通过调用pthread _self函数来获得自己的线程ID。

12.3.4 终止线程

一个线程的终止方式：

（1）当顶层的线程例程返回时，线程会隐式的终止；

（2）通过调用pthread _exit函数，线程会显示地终止。如果主线程调用pthread _exit，它会等待所有其他对等线程终止，然后再终止主线程和整个进程。

12.3.5 回收已终止线程的资源

pthread _join函数会阻塞，直到线程tid终止，回收已终止线程占用的所有存储器资源。pthread _join函数只能等待一个指定的线程终止。

12.3.6 分离线程

1、在任何一个时间点上，线程是可结合的或者是分离的。一个可结合的线程能够被其他线程收回其资源和杀死；一个可分离的线程是不能被其他线程回收或杀死的。它的存储器资源在它终止时有系统自动释放。

2、默认情况下，线程被创建成可结合的，为了避免存储器漏洞，每个可集合的线程都应该要么被其他进程显式的回收，要么通过调用pthread _detach函数被分离。

12.3.7 初始化线程

pthread _once函数允许初始化与线程例程相关的状态。

once _control变量是一个全局或者静态变量，总是被初始化为PTHREAD _ONCE _INIT.

12.3.8 一个基于线程的并发服务器

对等线程的赋值语句和主线程的accept语句之间引入了竞争。

12.4 多线程程序中的变量共享

12.4.1 线程存储器模型

1、每个线程和其他线程一起共享进程上下文的剩余部分。包括整个用户虚拟地址空间，是由只读文本、读/写数据、堆以及所有的共享库代码和数据区域组成的。线程也共享同样的打开文件的集合。

2、任何线程都可以访问共享虚拟存储器的任意位置。寄存器是从不共享的，而虚拟存储器总是共享的。

12.4.2 将变量映射到存储器

1、全局变量：虚拟存储器的读/写区域只会包含每个全局变量的一个实例。

2、本地自动变量：定义在函数内部但没有static属性的变量。

3、本地静态变量：定义在函数内部并有static属性的变量。

12.4.3 共享变量

变量v是共享的，当且仅当它的一个实例被一个以上的线程引用。

12.5 用信号量同步线程

1、共享变量引入了同步错误的可能性。

2、线程i的循环代码分解为五部分：

Hi：在循环头部的指令块

Li：加载共享变量cnt到寄存器%eax的指令，%eax表示线程i中的寄存器%eax的值

Ui：更新（增加）%eax的指令

Si：将%eaxi的更新值存回到共享变量cnt的指令

Ti：循环尾部的指令块。

12.5.1 进度图

1、进度图将指令执行模式化为从一种状态到另一种状态的转换。转换被表示为一条从一点到相邻点的有向边。合法的转换是向右或者向上。

2、临界区：对于线程i，操作共享变量cnt内容的指令构成了一个临界区。

3、互斥的访问：确保每个线程在执行它的临界区中的指令时，拥有对共享变量的互斥的访问。

4、安全轨迹线：绕开不安全区的轨迹线

不安全轨迹线：接触到任何不安全区的轨迹线就叫做不安全轨迹线

5、任何安全轨迹线都能正确的更新共享计数器。

12.5.2 信号量

1、当有多个线程在等待同一个信号量时，你不能预测V操作要重启哪一个线程。

2、信号量不变性：一个正在运行的程序绝不能进入这样一种状态，也就是一个正确初始化了的信号量有一个负值。

12.5.3 使用信号量来实现互斥

1、二元信号量：将每个共享变量与一个信号量s联系起来，然后用P(S)和V(s)操作将这种临界区包围起来，这种方式来保护共享变量的信号量。

2、互斥锁：以提供互斥为目的的二元信号量

加锁：一个互斥锁上执行P操作称为对互斥锁加锁，执行V操作称为对互斥锁解锁。对一个互斥锁加了锁但还没有解锁的线程称为占用了这个互斥锁。

计数信号量：一个呗用作一组可用资源的计数器的信号量

12.5.4 利用信号量来调度共享资源

1、信号量的作用：

（1）提供互斥

（2）调度对共享资源的访问

2、生产者—消费者问题：生产者产生项目并把他们插入到一个有限的缓冲区中，消费者从缓冲区中取出这些项目，然后消费它们。

3、读者—写者问题：

（1）读者优先，要求不让读者等待，除非已经把使用对象的权限赋予了一个写者。

（2）写者优先，要求一旦一个写者准备好可以写，它就会尽可能地完成它的写操作。

（3）饥饿就是一个线程无限期地阻塞，无法进展。

12.6 使用线程提高并行性

写顺序程序只有一条逻辑流，写并发程序有多条并发流，并行程序是一个运行在多个处理器上的并发程序。并行程序的集合是并发程序集合的真子集。

12.7 其他并发问题

12.7.1 线程安全

1、线程安全：当且仅当被多个并发线程反复地调用时，它会一直产生正确的结果。

线程不安全：如果一个函数不是线程安全的，就是线程不安全的。

2、线程不安全的类：

(1)不保护共享变量的函数

(2)保持跨越多个调用的状态的函数。

(3)返回指向静态变量的指针的函数。解决办法：重写函数和加锁拷贝。

(4)调用线程不安全函数的函数。

12.7.2 可重入性

1、可重入函数：当它们被多个线程调用时，不会引用任何共享数据。可重入函数是线程安全函数的一个真子集 。

2、关键思想是我们用一个调用者传递进来的指针取代了静态的next变量。

3、显式可重入：没有指针，没有引用静态或全局变量

隐式可重入：允许它们传递指针

4、可重入性即使调用者也是被调用者的属性，并不只是被调用者单独的属性。

12.7.4 竞争

1、竞争：当一个程序的正确性依赖于一个线程要在另一个线程到达y点之前到达它的控制流中的x点时，就会发生竞争。

2、线程化的程序必须对任何可行的轨迹线都正确工作。

12.7.5 死锁

1、死锁：一组线程被阻塞了，等待一个永远也不会为真的条件。

2、程序员使用P和V操作不当，以至于两个信号量的禁止区域重叠。

3、重叠的禁止区域引起了一组称为死锁区域的状态。

4、死锁是不可预测的。

代码运行：

首次编译时按照之前的方法编译，报错。根据错误提示，发现pthread库不是linux系统默认的库，因此pthread_creat创建线程时，在编译中要加上-lpthread参数。修正后顺利编译。

countwithmutex.c

PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER来静态初始化互斥锁。先创建tidA线程后运行doit函数，利用互斥锁锁定资源，进行计数，执行完毕后解锁。后创建tidB，与tidA交替执行。由于定义的NLOOP值为5000，所以程序最后的输出值为10000.程序的最后还需要分别回收tidA和tidB的资源。

count.c

差别在于这个代码countwithmutex.c与代码doit函数的for循环中没有引入互斥锁，只进行了单纯的计数，创建两个线程共享同一变量都实现加一操作。

condvar.c

主函数中用srand(time(NULL))设置当前的时间值为种子，在后面的producer和consumer函数中调用rand()函数产生随机数。

createthread.c

程序主要演示了创建线程函数pthread_create()函数的使用，用来打印进程和线程的ID

semphore.c

sem_init函数sem_init(sem_t *sem, int pshared, umsigned int value);

函数初始化一个定位在sem的匿名信号量；pshared参数为0指明信号量是由进程内线程共享，若为非0值则信号量在进程之间共享；value参数指定信号量的初始值。

sem_init（）成功时返回0；错误时返回-1，并把errno设置为合适的值。

share.c

threadexit.c

hello_multi.c

程序中的print_msg（）函数中：在printf后的fflush(stdout);说明要立刻将要输出的内容输出，每输出一次停1秒，并循环5次。

hello_single.c

根据代码，先单独执行print_msg("hello");——输出5个hello，后输出5个带换行的world

incprint.c

由于定义中NUM=5，所以输出的count为1——5

twordcount.c

代码上传截图及链接：

学习进度条

	代码行数（新增/累积）	博客量（新增/累积）	学习时间（新增/累积）	重要成长
目标	5000行	30篇	400小时
第一周	100/100	1/1	13/20
第二周	100/200	1/2	15/38
第三周	100/300	1/3	20/60
第五周	70/370	2/5	30/90
第六周	200/570	2/7	40/90
第七周	0/570	2/9	30/120
第八周	0/570	2/9	50/170
第九周	78/570	2/11	40/170
第十周	300/570	1/12	50/170
第十一周	488/1058	1/13	55/225
第十二周	10/1058	1/13	53/278
第十三周	512/1058	1/13	51/329