20135202闫佳歆——信息安全系统设计基础第十三周学习总结

第十二章 并发编程

程序级并发——进程

函数级并发——线程

三种基本的构造并发程序的方法：

进程

每个逻辑控制流是一个进程，由内核进行调度，进程有独立的虚拟地址空间

I/O多路复用

逻辑流被模型化为状态机，所有流共享同一个地址空间

线程

运行在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

第一节 基于进程的并发编程

构造并发程序最简单的方法——用进程

常用函数如下：

• fork
• exec
• waitpid

构造并发服务器？

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。

需要注意的事情：

1.父进程需要关闭它的已连接描述符的拷贝（子进程也需要关闭）

2.必须要包括一个SIGCHLD处理程序来回收僵死子进程的资源

3.父子进程之间共享文件表，但是不共享用户地址空间，这个在以前的学习过程中提到过

关于独立地址空间

1.优点：防止虚拟存储器被错误覆盖

2.缺点：开销高，共享状态信息才需要IPC机制

第二节 基于I/O多路复用的并发编程

就是使用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。

select函数处理类型为fd_set的集合，即描述符集合，并在逻辑上描述为一个大小为n的位向量，每一位b[k]对应描述符k，但当且仅当b[k]=1，描述符k才表明是描述符集合的一个元素。

描述符能做的三件事：

• 分配他们
• 将一个此种类型的变量赋值给另一个变量
• 用FD_ZERO、FD_SET、FD_CLR和FD_ISSET宏指令来修改和检查它们

什么时候可以读？

当且仅当一个从该描述符读取一个字节的请求不会阻塞时

注意：

每次调用select函数时都需要更新读集合

一、基于I/O多路复用的并发事件驱动服务器

事件驱动程序：将逻辑流模型化为状态机。

状态机：

• 状态
• 输入事件
• 转移

对于状态机的理解，参考EDA课程中学习的状态转换图的画法和状态机。

整体的流程是：

• select函数检测到输入事件
• add_client函数创建新状态机
• check_clients函数执行状态转移（在课本的例题中是回送输入行），并且完成时删除该状态机。

几个需要注意的函数：

• init_pool：初始化客户端池
• add_client：添加一个新的客户端到活动客户端池中
• check_clients：回送来自每个准备好的已连接描述符的一个文本行

二、I/O多路复用技术的优劣

1.优点

• 相较基于进程的设计，给了程序员更多的对程序程序的控制
• 运行在单一进程上下文中，所以每个逻辑流都可以访问该进程的全部地址空间，共享数据容易实现
• 可以使用GDB调试
• 高效

2.缺点

• 编码复杂
• 不能充分利用多核处理器

第三节 基于线程的并发编程

这种模式混合了以上两种方法

线程：就是运行在进程上下文中的逻辑流。

每个线程都有它自己的线程上下文：

• 一个唯一的整数线程ID——TID
• 栈
• 栈指针
• 程序计数器
• 通用目的寄存器
• 条件码

一、线程执行模型

1.主线程

在每个进程开始生命周期时都是单一线程——主线程，与其他进程的区别仅有：它总是进程中第一个运行的线程。

2.对等线程

某时刻主线程创建，之后两个线程并发运行。

每个对等线程都能读写相同的共享数据。

3.主线程切换到对等线程的原因：

• 主线程执行一个慢速系统调用，如read或sleep
• 被系统的间隔计时器中断

切换方式是上下文切换

对等线程执行一段时间后会控制传递回主线程，以此类推

4.线程和进程的区别

• 线程的上下文切换比进程快得多
• 组织形式：
  • 进程：严格的父子层次
  • 线程：一个进程相关线程组成对等（线程）池，和其他进程的线程独立开来。一个线程可以杀死它的任意对等线程，或者等待他的任意对等线程终止。

二、Posix线程

Posix线程是C程序中处理线程的一个标准接口。基本用法是：

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

这里需要提到一个万能函数的概念。

万能函数：

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

即，输入的是指针，指向真正想要传到函数里的数据，如果只有一个就直接让指针指向这个数据，如果是很多就将它们放到一个结构体中，让指针指向这个结构体。后面这个方法就是万能函数的使用思想。

线程例程也是这样的。

三、创建线程

1.创建线程：pthread_create函数

#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，出错返回非0

创建一个新的线程，带着一个输入变量arg，在新线程的上下文运行线程例程f。

attr默认为NULL

参数tid中包含新创建线程的ID

2.查看线程ID——pthread_self函数

#include <pthread.h>

pthread_t pthread_self(void);

返回调用者的线程ID（TID）

四、终止线程

1.终止线程的几个方式：

• 隐式终止：顶层的线程例程返回
• 显示终止：调用pthread_exit函数
  *如果主线程调用，会先等待所有其他对等线程终止，再终止主线程和整个进程，返回值为pthread_return
• 某个对等线程调用Unix的exit函数，会终止进程与其相关线程
• 另一个对等线程通过以当前线程ID作为参数调用pthread_cancle来终止当前线程

2.pthread_exit函数

#include <pthread.h>

void pthread_exit(void *thread_return);

若成功返回0，出错为非0

3.pthread_cancle函数

#include <pthread.h>

void pthread_cancle(pthread_t tid);

若成功返回0，出错为非0

五、回收已终止线程的资源

用pthread_join函数：

#include <pthread.h>

int pthread_join(pthread_t tid,void **thrad_return);

这个函数会阻塞，知道线程tid终止，将线程例程返回的(void*)指针赋值为thread_return指向的位置，然后回收已终止线程占用的所有存储器资源

六、分离线程

在任何一个时间点上，线程是可结合的，或是分离的。

1.可结合的线程

• 能够被其他线程收回其资源和杀死
• 被收回钱，它的存储器资源没有被释放
• 每个可结合线程要么被其他线程显式的收回，要么通过调用pthread_detach函数被分离

2.分离的线程

• 不能被其他线程回收或杀死
• 存储器资源在它终止时由系统自动释放

3.pthread_detach函数

#include <pthread.h>

void pthread_detach(pthread_t tid);

若成功返回0，出错为非0

这个函数可以分离可结合线程tid。

线程能够通过以pthread_self()为参数的pthread_detach调用来分离他们自己。

每个对等线程都应该在他开始处理请求之前分离他自身，以使得系统能在它终止后回收它的存储器资源。

七、初始化线程：pthread_once函数

#include <pthread.h>
pthread_once_t once_control = PTHREAD_ONCE_INIT;

int pthread_once(pthread_once_t *once_control, void (*init_routine)(void));

总是返回0

八、基于线程的并发服务器中的注意事项

1.调用pthread_create时，如何将已连接描述符传递给对等进程？

传递指针。

2.竞争问题？

见第七节。

3.避免存储器泄露？

必须分离每个线程，使它终止时它的存储器资源能被收回。

第四节 多线程程序中的共享变量

一个变量是共享的，当且仅当多个线程引用这个变量的某个实例。

一、线程存储器模型

需要注意的有：

寄存器从不共享，虚拟存储器总是共享的。

二、将变量映射到存储器

三、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。

第五节 用信号量同步线程

一般而言，没有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。

所以——进度图

一、进度图

进度图是将n个并发线程的执行模型化为一条n维笛卡尔空间中的轨迹线，原点对应于没有任何线程完成一条指令的初始状态。

当n=2时，状态比较简单，是比较熟悉的二维坐标图，横纵坐标各代表一个线程，而转换被表示为有向边

转换规则：

• 合法的转换是向右或者向上，即某一个线程中的一条指令完成
• 两条指令不能在同一时刻完成，即不允许出现对角线
• 程序不能反向运行，即不能出现向下或向左

而一个程序的执行历史被模型化为状态空间中的一条轨迹线。

线程循环代码的分解：

• H：在循环头部的指令块
• L：加载共享变量cnt到线程i中寄存器%eax的指令。
• U：更新（增加）%eax的指令
• S：将%eax的更新值存回到共享变量cnt的指令
• T：循环尾部的指令块

几个概念

• 临界区：对于线程i，操作共享变量cnt内容的指令L,U,S构成了一个关于共享变量cnt的临界区。
• 不安全区：两个临界区的交集形成的状态
• 安全轨迹线：绕开不安全区的轨迹线

具体相关在操作系统课程中讲的更为详细，比如：

临界区使用原则（互斥条件）

• 有空让进：如果临界区空闲，则只要有进程申请就立即让其进入；
• 无空等待：每次只允许一个进程处于临界区；
• 多中择一：当没有进程在临界区，而同时有多个进程要求进入临界区，只能让其中之一进入临界区，其他进程必须等待；
• 让权等待：进入临界区的进程，不能在临界区内长时间阻塞等待某事件，使其它进程在临界区外无限期等待；
  不能限制进程的并发数量和执行进度。

二、信号量

信号量实现互斥的基本原理

• 两个或多个进程通过传递信号进行合作，可以迫使进程在某个位置暂时停止执行（阻塞等待），直到它收到一个可以“向前推进”的信号（被唤醒）；
• 将实现信号灯作用的变量称为信号量，常定义为记录型变量s，其一个域为整型，另一个域为队列，其元素为等待该信号量的阻塞进程(FIFO)。

• 信号量定义：

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

定义对信号量的两个原子操作——P和V

P（wait）

wait(s)
s.count :=s.count-1;
if s.count<0 then
begin
进程阻塞；
进程进入s.queue队列；
end;

V（signal）

signal(s)
s.count :=s.count+1;
if s.count ≤0 then
begin
唤醒队首进程；
将进程从s.queue阻塞队列中移出;
end;

需要注意的是，每个信号量在使用前必须初始化。

三、使用信号量来实现互斥

1.基本思想

将每个共享变量（或者一组相关的共享变量）与一个信号量s（初始为1）联系起来，然后用P和V操作将相应的临界区包围起来。

2.几个概念

• 二元信号量：用这种方式来保护共享变量的信号量叫做二元信号量，取值总是0或者1.
• 互斥锁：以提供互斥为目的的二元信号量
• 加锁：对一个互斥锁执行P操作
• 解锁；对一个互斥锁执行V操作
• 计数信号量：被用作一组可用资源的计数器的信号量
• 禁止区：由于信号量的不变性，没有实际可能的轨迹能够包含禁止区中的状态。

3.wait(s)/signal(s)的应用

• 进程进入临界区之前，首先执行wait(s)原语，若s.count<0，则进程调用阻塞原语，将自己阻塞，并插入到s.queue队列排队；
• 注意，阻塞进程不会占用处理机时间，不是“忙等”。直到某个从临界区退出的进程执行signal(s)原语，唤醒它；
• 一旦其它某个进程执行了signal(s)原语中的s.count+1操作后，发现s.count ≤0，即阻塞队列中还有被阻塞进程，则调用唤醒原语，把s.queue中第一个进程修改为就绪状态，送就绪队列，准备执行临界区代码。

以及

• wait操作用于申请资源（或使用权），进程执行wait原语时，可能会阻塞自己；
• signal操作用于释放资源（或归还资源使用权），进程执行signal原语时，有责任唤醒一个阻塞进程。

三、利用信号量来调度共享资源

也就是说，信号量有两个作用：

• 实现互斥
• 调度共享资源

信号量分为：互斥信号量和资源信号量。

• 互斥信号量用于申请或释放资源的使用权，常初始化为1；

• 资源信号量用于申请或归还资源，可以初始化为大于1的正整数，表示系统中某类资源的可用个数。

1.信号量的物理意义

• s.count >0表示还可执行wait(s)而不会阻塞的进程数（可用资源数）。每执行一次wait(s)操作，就意味着请求分配一个单位的资源。
• 当s.count ≤0时，表示已无资源可用，因此请求该资源的进程被阻塞。此时，s.count的绝对值等于该信号量阻塞队列中的等待进程数。执行一次signal操作，就意味着释放一个单位的资源。若s.count<0，表示s.queue队列中还有被阻塞的进程，需要唤醒该队列中的第一个进程，将它转移到就绪队列中。

2.常见问题

这里的常见问题有生产者-消费者问题，和读者-写者问题，都是操作系统课程中详细讲述过的，不再赘述。

第七节 其他并发问题

一、线程安全性

一个线程是安全的，当且仅当被多个并发线程反复的调用时，它会一直产生正确的结果。

四个不相交的线程不安全函数类以及应对措施：

• 不保护共享变量的函数——用P和V这样的同步操作保护共享变量
• 保持跨越多个调用的状态的函数——重写，不用任何static数据。
• 返回指向静态变量的指针的函数——①重写；②使用加锁-拷贝技术。
• 调用线程不安全函数的函数——参考之前三种

二、可重入性

当它们被多个线程调用时，不会引用任何共享数据。

1.显式可重入的：

所有函数参数都是传值传递，没有指针，并且所有的数据引用都是本地的自动栈变量，没有引用静态或全剧变量。

2.隐式可重入的：

调用线程小心的传递指向非共享数据的指针。

三、在线程化的程序中使用已存在的库函数

一句话，就是使用线程不安全函数的可重入版本，名字以_r为后缀结尾。

四、竞争

1.竞争发生的原因：

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。也就是说，程序员假定线程会按照某种特殊的轨迹穿过执行状态空间，忘了一条准则规定：线程化的程序必须对任何可行的轨迹线都正确工作。

2.消除方法：

动态的为每个整数ID分配一个独立的块，并且传递给线程例程一个指向这个块的指针

五、死锁：

一组线程被阻塞了，等待一个永远也不会为真的条件。

1.条件

2.解决死锁的方法

a.不让死锁发生：

• 静态策略：设计合适的资源分配算法，不让死锁发生---死锁预防；
• 动态策略：进程在申请资源时，系统审查是否会产生死锁，若会产生死锁则不分配---死锁避免。

b.让死锁发生：

进程申请资源时不进行限制，系统定期或者不定期检测是否有死锁发生，当检测到时解决死锁----死锁检测与解除。

总结

本周内容中有很多在操作系统课程中已经详细讲述过，笔记中很多部分亦是借鉴了操作系统的课件。但是需要注意的是，课本中讲述问题的方式与操作系统课程中有些不同，本课更多是从代码角度，两者需要相辅相成，互相促进理解，这样使得学习起来更轻松，也更全面。