第十二章 并发编程

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：

  1. 访问慢速I/O设备。
  2. 与人交互。
  3. 通过推迟工作以降低延迟。
  4. 服务多个网络客户端。
  5. 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

  1. 使用SIGCHLD处理程序来回收僵死子进程的资源。

  2. 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。

  3. 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。

注意

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。

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

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：

  1. 分配他们

  2. 将一个此种类型的变量赋值给另一个变量

  3. 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

  1. I/O多路复用可以用作事件并发驱动程序的基础。

  2. 状态机：一组状态、输入事件、输出事件和转移。

  3. 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。

一、线程存储器模型

  1. 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。

  2. 寄存器是从不共享的,而虚拟存储器总是共享的。

  3. 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。

二、将变量映射到存储器

  1. 全局变量：定义在函数之外的变量

  2. 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。

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。
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

  1. 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。

  2. 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：
Sp=T1/Tp

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

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。

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

死锁：

一组线程被阻塞了，等待一个永远也不会为真的条件。