信息安全系统设计基础第十二周学习总结

第十二章 并发编程

 

应用级并发

l  访问慢速I/O设备

l  与人交互

l  通过推迟工作以降低延迟

l  服务多个网络客户端

l  在多核机器上进行并行运算

 

现代操作系统提供了三种基本的构造并发程序的方法

l  进程

l  I/O多路复用   //

l  线程

 

12.1 基于进程的并发编程

服务器创建子进程，子进程可以并发处理请求

 

l  基于进程的并发服务器

父子进程必须关闭它们各自的connfd拷贝

l  关于进程的优劣

共享文件表，不共享用户地址空间（进程有独立的地址空间）

优：进程不可能不小心覆盖另一个进程的虚拟存储器

劣：独立的地址空间使得进程共享状态信息变得更加困难，必须使用显式的IPC机制

 

12.2 基于I/O多路复用的并发编程

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

 

描述符集合

 

Select有两个输入：一个称为读集合的描述符集合和该读集合的基数。Select函数会一直阻塞，直到读集合中至少有一个描述符准备好可以读。

 

l  基于I/O多路复用的并发事件驱动服务器

I/O多路复用可以用做并发事件驱动程序的基础。状态机就是一组状态、输入事件、转移。通常把状态机画成有向图，节点表示状态，有向弧表示转移，而弧上的括号表示输入事件。

l  I/O多路复用技术的优劣

优：比基于进程的设计给了程序员更多的对程序行为的控制

一个基于I/O多路复用的事件驱动服务器是运行在单一进程上下文中的，因此每个逻辑流都能访问该进程的全部地址空间，易于共享数据

劣：编码复杂，并发粒度减小，复杂性上升

 

12.3 基于线程的并发编程

线程：运行在进程上下文中的逻辑流

l  线程执行模型

每个进程开始是单一线程（主线程），某一时刻创建一对等线程，对等线程会执行一段时间，然后控制传递回主线程。

线程的上下文比进程小，切换快。不是按照严格的父子层次来组织。

l  创建线程：pthread_create创建新线程，并带着一个输入变量arg，arrt参数可以改变新创建线程的默认属性。

l  终止线程：

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，线程会显示的终止

3、 某个对等线程调用Unix的exit函数

4、 另一个对等线程通过以当前线程ID参数调用ptheard_cancle函数来终止当前线程。

l  回收已终止线程的资源:线程通过调用pthresd_join函数等待其他线程终止。

l  分离线程：在任何一个时间点上，线程是可结合的或是可分离的。分离线程不能被其他线程回收或杀死。使用分离线程的例子：一个高性能web服务器可能在每次收到web浏览器的连接请求时都创建一个新的对等线程，每个对等线程都应该在它开始处理请求之前分离它自身，这样就能在它终止后回收它的存储器资源。

l  初始化线程：pthread_once.once_control变量是一个全局变量或者静态变量，总是被初始化为PTHREAD_ONCE_INIT.

 

 

12.4 多线程程序中的变量

寄存器从不共享，虚拟存储器总是共享的。

 

l  将变量映射到存储器

1、 全局变量：虚拟存储器的读/写区域只包含每个全局变量的一个实例，任何线程都可以引用。

2、 本地自动变量：每个线程的栈都包含它自己的所有本地自动变量实例。

3、 本地静态变量：虚拟存储器的读/写区域只包含在程序中声明的每个本地静态变量的一个实例。

 

 

12.5 用信号量同步线程

共享变量方便的同时引入了同步错误的可能性。你没办法预测操作系统是否将为你的线程选择一个正确的顺序，一些顺序会产生正确的结果，一些不会。

使用进度图将一个程序的执行模型化为状态空间中的一条轨迹线。两个临界区的交集形成的状态空间区域称为不安全区。经过不安全区的轨迹称为不安全轨迹线。

l  信号量：P(s) 和V（s）。v必须只能重启一个正在等待的线程，但P和V的定义确保了正在运行的程序绝不可能进入这样的状态。

l  使用信号量来实现互斥：将每个共享变量与一个信号量s联系起来，然后用P和V操作将相应的临界区包围起来。保护共享变量的信号量叫二元信号量，互斥锁。每条实际可运行的轨迹线都是安全的。

l  利用信号量来调度共享资源：

n  生产者——消费者问题

n  读者——写者问题

l  综合：基于预线程化的并发服务器

 

12.6使用线程提高并行性