20135203齐岳 信息安全系统设计基础第十三周学习总结

20135203齐岳 信息安全系统设计基础第十三周学习总结

学习计时：8/9共小时（计划/实际）

• 读书：4/5

• 代码：1/1

• 作业：1/1

• 博客：2/2

第十二章 并发编程

一、学习目标

1. 掌握三种并发的方式：进程、线程、I/O多路复用
2. 掌握线程控制及相关系统调用
3. 掌握线程同步互斥及相关系统调用

二、学习任务

1. 阅读教材，完成课后练习（书中有参考答案）
2. 考核：练习题把数据变换一下
3. 加分题：课后作业最多两人一组，互相不能重复，1星题目每人最多加一分，2星题目每人最多加二分，3星题目每人最多加三分，4星题目每人最多加四分。

三、学习过程

如果逻辑控制流在时间上重叠，那么他们就是并发的。应用级并发在以下情况中发挥作用：

• 访问慢速I/O设备。
• 与人交互。
• 通过推迟工作以降低延迟。
• 服务多个网络客户端。
• 在多核机器上进行并行计算。

使用应用级并发的应用程序称为并发程序。现代操作系统提供了三种基本的构造并发程序的方法：

• 进程。每个逻辑控制流都是一个进程，由内核来调度和维护。控制流使用显式的进程间通信（IPC）机制。
• I/O多路复用。应用程序在一个进程的上下文中显式地调度他们自己的逻辑流。所有的流都共享同一个地址空间。
• 线程。线程是运行在一个单一进程上下文中的逻辑流，由内核进行调度。

12.1 基于进程的并发编程

基于进程的并发服务器

• 使用SIGCHLD处理程序来回收僵死子进程的资源。
• 父进程必须关闭他们各自的connfd拷贝（已连接的描述符），避免存储器泄露。
• 因为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。

关于进程的优劣

• 在父子进程之间共享状态信息，通过共享文件表，但是不共享用户地址空间。
• 使用显式的进程间通信（IPC）机制。但开销很高，往往比较慢。

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。

int select(int n,fd_set *fdset,NULL,NULL,NULL);
                            返回已经准备好的描述符的非0的个数，若出错则为-1。

select函数处理类型为fd_set的集合，叫做描述符集合，看做一个大小为n位的向量：

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

对描述符集合的处理方法：

• 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他们。
  

基于I/O多路复用的并发事件驱动服务器

I/O多路复用可以用作事件并发驱动程序的基础。

状态机：一组状态、输入事件、输出事件和转移。

自循环：同一输入和输出状态之间的转移。

I/O多路复用技术的优劣

• 相比基于进程的设计给了程序员更多的对进程行为的控制，运行在单一进程上下文中，每个逻辑流都能访问全部的地址空间，在流之间共享数据很容易。
• 编码复杂，随着并发粒度的减小，复杂性还会上升。粒度：每个逻辑流每个时间片执行的指令数量。

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，由内核自动调度，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。

线程执行模型

每个进程开始生命周期时都是单一线程（主线程），在某一时刻创建一个对等线程，从此开始并发地运行，最后，因为主线程执行一个慢速系统调用，或者被中断，控制就会通过上下文切换传递到对等线程。

Posix线程

Posix线程是C语言中处理线程的一个标准接口，允许程序创建、杀死和回收线程，与对等线程安全的共享数据。

线程的代码和本地数据被封装在一个线程例程中，

创建线程

线程通过调用pthread_create来创建其他线程。

int pthread_create(pthread_t *tid,pthread_attr_t *attr,func *f,void *arg);
                                                    成功则返回0，出错则为非零

当函数返回时，参数tid包含新创建的线程的ID，新线程可以通过调用pthread_self函数来获得自己的线程ID。

pthread_t pthread_self(void);返回调用者的线程ID。

终止线程

一个线程是通过以下方式之一来终止的。

• 当顶层的线程例程返回时，线程会隐式地终止。

• 通过调用pthread_exit函数，线程会显式地终止

  void pthread_exit(void *thread_return);

回收已终止的线程资源

线程通过调用pthread_join函数等待其他线程终止。

int pthread_join(pthread_t tid,void **thread_return);
                                               成功则返回0，出错则为非零

分离线程

在任何一个时间点上，线程是可结合或可分离的。一个可结合的线程能够被其他线程收回其资源和杀死，在被回收之前，它的存储器资源是没有被释放的。分离的线程则相反，资源在其终止时自动释放。

int pthread_deacth(pthread_t tid);
                                            成功则返回0，出错则为非零

初始化线程

pthread_once允许初始化与线程例程相关的状态。

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

12.4 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。

线程存储器模型

• 每个线程都有自己独立的线程上下文，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。
• 寄存器是从不共享的,而虚拟存储器总是共享的。
• 各自独立的线程栈被保存在虚拟地址空间的栈区域中，并且通常是被相应的线程独立地访问的。

将变量映射到存储器

• 全局变量：定义在函数之外的变量
• 本地自动变量：定义在函数内部但是没有static属性的变量。
• 本地静态变量：定义在函数内部并有static属性的变量。

共享变量

当且仅当变量的一个实例被一个以上的线程引用时,就说变量是共享的。

12.5用信号量同步线程

共享变量的同时引入了同步错误，即没有办法预测操作系统是否为线程选择一个正确的顺序。

进度图

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，将指令模型化为从一种状态到另一种状态的转换。

信号量

• P(s)：如果s是非零的，那么P将s减一，并且立即返回。如果s为零，那么就挂起这个线程，直到s变为非零。
• V(s)：将s加一，如果有任何线程阻塞在P操作等待s变为非零，那么V操作会重启线程中的一个，然后该线程将s减一，完成他的P操作。

信号量不变性：一个正确初始化了的信号量有一个负值。

信号量操作函数：

int sem_init(sem_t *sem,0,unsigned int value);//将信号量初始化为value
int sem_wait(sem_t *s);//P(s)
int sem_post(sem_t *s);//V(s)

使用信号量来实现互斥

• 二元信号量（互斥锁）：将每个共享变量与一个信号量s联系起来，然后用P(s)（加锁）和V(s)（解锁）操作将相应的临界区包围起来。

• 禁止区：s<0，因为信号量的不变性，没有实际可行的轨迹线能够直接接触不安全区的部分

12.6 使用线程来提高并行性

并行程序的加速比通常定义为：

其中，p为处理器核的数量，T为在p个核上的运行时间。

12.7 其他并发问题

线程安全

定义四个（不相交的）线程不安全函数类：

• 不保护共享变量的函数。
• 保持跨越多个调用状态的函数。
• 返回指向静态变量指针的函数。
• 调用线程不安全函数的函数。

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点之前到达他的控制流x点时，就会发生竞争。

为消除竞争，我么可以动态地为每个整数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。

死锁

死锁：一组线程被阻塞了，等待一个永远也不会为真的条件。

• 程序员使用P和V操作顺序不当，以至于两个信号量的禁止区域重叠。
• 重叠的禁止区域引起了一组称为死锁区域的状态。
• 死锁是一个相当难的问题，因为它是不可预测的。

互斥锁加锁顺序规则：如果对于程序中每对互斥锁(s,t)，给所有的锁分配一个全序，每个线程按照这个顺序来请求锁，并且按照逆序来释放，这个程序就是无死锁的。

参考资料

1.《深入理解计算机系统》

2.《计算机操作系统》