20145319 《信息安全系统设计基础》第十三周课后总结

20145319 《信息安全系统设计基础》第十三周课后总结

一 教材内容总结

基本概念

• 并发：逻辑控制流在时间上重叠
• 并发程序：使用应用级并发的应用程序称为并发程序
• 三种基本的构造并发程序的方法
  • 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
  • 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。
  • 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

基于进程的并发编程

• 常用构造并发进程的函数
  • fork
  • exec
  • waitpid
• 基于进程的并发服务器（以一个基于进程的echo服务器为例说明几点）
  • 必须包括一个一个SIGCHLD处理程序，来回收僵死子进程的资源
  • 父子进程必须关闭各自的connfd拷贝，以避免存储器泄露
  • 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
  • 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，可以防止虚拟存储器被错误覆盖
  • 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，开销很高

基于I/O多路复用的并发编程

• I/O多路复用技术的优劣
  • 优点：
    • 比起基于进程的设计给了程序员更多的对程序行为的控制
    • 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
    • 事件驱动设计比较高效，因为不需要进程上下文切换来调度新的流
  • 缺点：
    • 编码复杂
    • 不能充分利用多核处理器

基于线程的并发编程

• 多个进程运行在单一进程的上下文中，因此共享这个进程的虚拟地址空间的所有内容
• 线程执行模型
  • 主线程：每个进程开始时都是单一线程，该线程被称作主线程
  • 对等线程：某个时刻，主线程创建的进程
  • 对等线程池：线程不同于进程是按照父子层次组织的，而是组成一个对等池
    • 影响：线程可以杀死它的任何对等线程，或等待对等线程终止每个对等线程读写时候共享数据
  • 线程执行不同于进程执行，因为线程上下文比较小，所以上下文切换较快
• 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
• 创建线程
  • pthread_create函数:int pthread_create(pthread_t *tid, pthread_attr *attr, func *f, void *arg),创建一个新线程，并在新线程上下文中运行线程例程f，attr参数通常为NULL
  • 返回的参数tid包含新线程的ID，可以通过调用pthread_self来获得
• 终止线程
  • 顶层的线程范例返回，线程会隐式的终止
  • 调用pthread_exit，线程会显示的终止
  • 对等线程调用Unix的exit函数，终止进程以及与进程相关的所有线程
  • 对等现场通过当前线程ID调用pthread_cancle函数
• 回收已经终止线程的资源
  • 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
• 分离线程
  • 可结合：一个可结合的线程能被其他线程杀死或者回收资源
  • 分离：不能被其他线程回收或者杀死，其存储器资源在它终止时自动释放
  • 默认情况下，线程被创建成都是可结合的
• 初始化线程
  • int pthread _once(pthread_once_t *once_control, void(*init_routine)(void))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

多线程程序中的变量共享

• 线程存储器模型
  • 每个线程有自己独立的线程上下文，但是共享剩余的进程上下文
  • 存储器是不共享的，但是虚拟存储器是共享的
• 变量映射到存储器
  • 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。
  • 本地自动变量：定义在函数内部但没有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
  • 若变量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

用信号量同步线程

• 共享变量引入了同步错误的可能
• 线程I的循环代码分解成五部分
  • 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
• 进度图
  • 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
  • 任何安全轨迹线都能正确的更新共享计数器
• 信号量
  • 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。
  • 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
• 使用信号量实现互斥
  • 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
  • 互斥锁：以提供互斥为目的的二元信号量
• 利用信号量来调度共享资源
  • 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
  • 读者-写者问题：
    • 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。
    • 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

其他并发问题

• 线程安全性：
  • 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
• 线程不安全的类
  • 不保护共享变量的函数
  • 保持跨越多个调用的状态的函数。
  • 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）
  • 调用线程不安全函数的函数
• 可重入性
  • 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
  • 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
• 竞争
  • 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
  • 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
• 死锁
  • 一组线程被阻塞了，等待一个永远也不会为真的条件（例如进程p1拥有资源R1等待资源R2，进程P2又有资源R2等待资源R1）

三 代码托管

• https://git.oschina.net/zk20145319/zk20145319

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	0/0	1/1	20/20	学习常用linux命令
第二周	100/100	1/2	20/40	学习vim,gdb等用法
第三周	100/200	1/3	15/55
第四周	0/300	0/3	10/65
第五周	100/400	1/4	15/80	重温了汇编相关知识
第六周	0/400	1/5	15/95	学习了Y86
第七周	100/500	1/6	15/110	学习了存储器相关知识
第八周	0/500	2/8	20/130	复习
第九周	150/650	2/10	15/145	学习了I/O相关知识
第十周	300/950	2/12	20/165	学习了linux命令代码
第十一周	200/1150	3/15	20/185	学习了异常流相关知识
第十二周	200/1350	3/18	20/205	复习I/O,fork相关代码
第十三周	150/1500	2/20	20/225	学习了并发，WEB相关知识