20135203齊岳 信息安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第十三周學(xué)習(xí)總結(jié)

學(xué)習(xí)計(jì)時(shí)：8/9共小時(shí)（計(jì)劃/實(shí)際）

• 讀書：4/5

• 代碼：1/1

• 作業(yè)：1/1

• 博客：2/2

第十二章 并發(fā)編程

一、學(xué)習(xí)目標(biāo)

掌握三種并發(fā)的方式：進(jìn)程、線程、I/O多路復(fù)用

掌握線程控制及相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用

掌握線程同步互斥及相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用

二、學(xué)習(xí)任務(wù)

閱讀教材，完成課后練習(xí)（書中有參考答案）

考核：練習(xí)題把數(shù)據(jù)變換一下

加分題：課后作業(yè)最多兩人一組，互相不能重復(fù)，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(xué)習(xí)過程

如果邏輯控制流在時(shí)間上重疊，那么他們就是并發(fā)的。應(yīng)用級(jí)并發(fā)在以下情況中發(fā)揮作用：

• 訪問慢速I/O設(shè)備。
• 與人交互。
• 通過推遲工作以降低延遲。
• 服務(wù)多個(gè)網(wǎng)絡(luò)客戶端。
• 在多核機(jī)器上進(jìn)行并行計(jì)算。

使用應(yīng)用級(jí)并發(fā)的應(yīng)用程序稱為并發(fā)程序。現(xiàn)代操作系統(tǒng)提供了三種基本的構(gòu)造并發(fā)程序的方法：

• 進(jìn)程。每個(gè)邏輯控制流都是一個(gè)進(jìn)程，由內(nèi)核來(lái)調(diào)度和維護(hù)。控制流使用顯式的進(jìn)程間通信（IPC）機(jī)制。
• I/O多路復(fù)用。應(yīng)用程序在一個(gè)進(jìn)程的上下文中顯式地調(diào)度他們自己的邏輯流。所有的流都共享同一個(gè)地址空間。
• 線程。線程是運(yùn)行在一個(gè)單一進(jìn)程上下文中的邏輯流，由內(nèi)核進(jìn)行調(diào)度。

12.1 基于進(jìn)程的并發(fā)編程

基于進(jìn)程的并發(fā)服務(wù)器

• 使用SIGCHLD處理程序來(lái)回收僵死子進(jìn)程的資源。
• 父進(jìn)程必須關(guān)閉他們各自的connfd拷貝（已連接的描述符），避免存儲(chǔ)器泄露。
• 因?yàn)樘捉幼值奈募肀眄?xiàng)中的引用計(jì)數(shù)，直到父子進(jìn)程的connfd都關(guān)閉了，到客戶端的連接才會(huì)終止。

關(guān)于進(jìn)程的優(yōu)劣

• 在父子進(jìn)程之間共享狀態(tài)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(jìn)程間通信（IPC）機(jī)制。但開銷很高，往往比較慢。

基于I/O多路復(fù)用的并發(fā)編程

使用select函數(shù)，要求內(nèi)核掛起進(jìn)程，只有在一個(gè)或多個(gè)I/O事件發(fā)生后，才將控制返回給應(yīng)用程序。

int select(int n,fd_set *fdset,NULL,NULL,NULL);返回已經(jīng)準(zhǔn)備好的描述符的非0的個(gè)數(shù)，若出錯(cuò)則為-1。

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

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

對(duì)描述符集合的處理方法：

• 分配他們
• 將一個(gè)此種類型的變量賦值給另一個(gè)變量
• 用FD_ZERO,FD_SET,FD_CLR和FD_ISSET宏指令來(lái)修改和檢查他們。
  

基于I/O多路復(fù)用的并發(fā)事件驅(qū)動(dòng)服務(wù)器

I/O多路復(fù)用可以用作事件并發(fā)驅(qū)動(dòng)程序的基礎(chǔ)。

狀態(tài)機(jī)：一組狀態(tài)、輸入事件、輸出事件和轉(zhuǎn)移。

自循環(huán)：同一輸入和輸出狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移。

I/O多路復(fù)用技術(shù)的優(yōu)劣

• 相比基于進(jìn)程的設(shè)計(jì)給了程序員更多的對(duì)進(jìn)程行為的控制，運(yùn)行在單一進(jìn)程上下文中，每個(gè)邏輯流都能訪問全部的地址空間，在流之間共享數(shù)據(jù)很容易。
• 編碼復(fù)雜，隨著并發(fā)粒度的減小，復(fù)雜性還會(huì)上升。粒度：每個(gè)邏輯流每個(gè)時(shí)間片執(zhí)行的指令數(shù)量。

12.3 基于線程的并發(fā)編程

線程：運(yùn)行在進(jìn)程上下文中的邏輯流，由內(nèi)核自動(dòng)調(diào)度，有自己的線程上下文，包括一個(gè)唯一的整數(shù)線程ID，棧、棧指針、程序計(jì)數(shù)器、通用目的寄存器和條件碼。所有運(yùn)行在一個(gè)進(jìn)程里的線程共享該進(jìn)程的整個(gè)虛擬地址空間。

線程執(zhí)行模型

每個(gè)進(jìn)程開始生命周期時(shí)都是單一線程（主線程），在某一時(shí)刻創(chuàng)建一個(gè)對(duì)等線程，從此開始并發(fā)地運(yùn)行，最后，因?yàn)橹骶€程執(zhí)行一個(gè)慢速系統(tǒng)調(diào)用，或者被中斷，控制就會(huì)通過上下文切換傳遞到對(duì)等線程。

Posix線程

Posix線程是C語(yǔ)言中處理線程的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，允許程序創(chuàng)建、殺死和回收線程，與對(duì)等線程安全的共享數(shù)據(jù)。

線程的代碼和本地?cái)?shù)據(jù)被封裝在一個(gè)線程例程中，

創(chuàng)建線程

線程通過調(diào)用pthread_create來(lái)創(chuàng)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(cuò)則為非零

當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，參數(shù)tid包含新創(chuàng)建的線程的ID，新線程可以通過調(diào)用pthread_self函數(shù)來(lái)獲得自己的線程ID。

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

終止線程

一個(gè)線程是通過以下方式之一來(lái)終止的。

• 當(dāng)頂層的線程例程返回時(shí)，線程會(huì)隱式地終止。

• 通過調(diào)用pthread_exit函數(shù)，線程會(huì)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(diào)用pthread_join函數(shù)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(cuò)則為非零

分離線程

在任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，線程是可結(jié)合或可分離的。一個(gè)可結(jié)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(chǔ)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(shí)自動(dòng)釋放。

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

初始化線程

pthread_once允許初始化與線程例程相關(guān)的狀態(tài)。

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(gè)變量是共享的。當(dāng)且僅當(dāng)多個(gè)線程引用這個(gè)變量的某個(gè)實(shí)例。

線程存儲(chǔ)器模型

• 每個(gè)線程都有自己獨(dú)立的線程上下文，包括一個(gè)唯一的整數(shù)線程ID，棧、棧指針、程序計(jì)數(shù)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(chǔ)器總是共享的。
• 各自獨(dú)立的線程棧被保存在虛擬地址空間的棧區(qū)域中，并且通常是被相應(yīng)的線程獨(dú)立地訪問的。

將變量映射到存儲(chǔ)器

• 全局變量：定義在函數(shù)之外的變量
• 本地自動(dòng)變量：定義在函數(shù)內(nèi)部但是沒有static屬性的變量。
• 本地靜態(tài)變量：定義在函數(shù)內(nèi)部并有static屬性的變量。

共享變量

當(dāng)且僅當(dāng)變量的一個(gè)實(shí)例被一個(gè)以上的線程引用時(shí),就說(shuō)變量是共享的。

12.5用信號(hào)量同步線程

共享變量的同時(shí)引入了同步錯(cuò)誤，即沒有辦法預(yù)測(cè)操作系統(tǒng)是否為線程選擇一個(gè)正確的順序。

進(jìn)度圖

將n個(gè)并發(fā)線程的執(zhí)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(tài)到另一種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

信號(hào)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(gè)線程，直到s變?yōu)榉橇恪?/li>
• V(s)：將s加一，如果有任何線程阻塞在P操作等待s變?yōu)榉橇?#xff0c;那么V操作會(huì)重啟線程中的一個(gè)，然后該線程將s減一，完成他的P操作。

信號(hào)量不變性：一個(gè)正確初始化了的信號(hào)量有一個(gè)負(fù)值。

信號(hào)量操作函數(shù)：

int sem_init(sem_t *sem,0,unsigned int value);//將信號(hào)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(hào)量來(lái)實(shí)現(xiàn)互斥

• 二元信號(hào)量（互斥鎖）：將每個(gè)共享變量與一個(gè)信號(hào)量s聯(lián)系起來(lái)，然后用P(s)（加鎖）和V(s)（解鎖）操作將相應(yīng)的臨界區(qū)包圍起來(lái)。

• 禁止區(qū)：s<0，因?yàn)樾盘?hào)量的不變性，沒有實(shí)際可行的軌跡線能夠直接接觸不安全區(qū)的部分

12.6 使用線程來(lái)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(shù)量，T為在p個(gè)核上的運(yùn)行時(shí)間。

12.7 其他并發(fā)問題

線程安全

定義四個(gè)（不相交的）線程不安全函數(shù)類：

• 不保護(hù)共享變量的函數(shù)。
• 保持跨越多個(gè)調(diào)用狀態(tài)的函數(shù)。
• 返回指向靜態(tài)變量指針的函數(shù)。
• 調(diào)用線程不安全函數(shù)的函數(shù)。

競(jìng)爭(zhēng)

當(dāng)一個(gè)程序的正確性依賴于一個(gè)線程要在另一個(gè)線程到達(dá)y點(diǎn)之前到達(dá)他的控制流x點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)。

為消除競(jìng)爭(zhēng)，我么可以動(dòng)態(tài)地為每個(gè)整數(shù)ID分配一個(gè)獨(dú)立的塊，并且傳遞給線程例程一個(gè)指向這個(gè)塊的指針。

死鎖

死鎖：一組線程被阻塞了，等待一個(gè)永遠(yuǎn)也不會(huì)為真的條件。

• 程序員使用P和V操作順序不當(dāng)，以至于兩個(gè)信號(hào)量的禁止區(qū)域重疊。
• 重疊的禁止區(qū)域引起了一組稱為死鎖區(qū)域的狀態(tài)。
• 死鎖是一個(gè)相當(dāng)難的問題，因?yàn)樗遣豢深A(yù)測(cè)的。

互斥鎖加鎖順序規(guī)則：如果對(duì)于程序中每對(duì)互斥鎖(s,t)，給所有的鎖分配一個(gè)全序，每個(gè)線程按照這個(gè)順序來(lái)請(qǐng)求鎖，并且按照逆序來(lái)釋放，這個(gè)程序就是無(wú)死鎖的。

參考資料

1.《深入理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)》

2.《計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)》

轉(zhuǎn)載于:https://www.cnblogs.com/July0207/p/5023779.html

總結(jié)

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