20145310《信息安全系统设计基础》第十三周学习总结

20145310《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

1、并发:逻辑控制流在时间上重叠

2、并发程序:使用应用级并发的应用程序称为并发程序

3、三种基本的构造并发程序的方法:
(1)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。
(2)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。
(3)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。

12.1 基于进程的并发编程

1、构造并发服务器的自然方法就是,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。
2、因为父子进程中的已连接描述符都指向同一个文件表表项,所以父进程关闭它的已连接描述符的拷贝是至关重要的,而且由此引起的存储器泄露将最终消耗尽可用的存储器,使系统崩溃。

12.1.1 基于进程的并发服务器
基于进程的并发echo服务器的重点内容
(1)需要一个SIGCHLD处理程序,来回收僵死子进程的资源。
(2)父子进程必须关闭各自的connfd拷贝。对父进程尤为重要,以避免存储器泄露。
(3)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。
12.1.2 关于进程的优劣
注意:进程的模型:共享文件表,但不是共享用户地址空间。 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。
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。进程控制和IPC的开销很高。
Unix IPC是指所有允许进程和同一台主机上其他进程进行通信的技术,包括管道、先进先出(FIFO)、系统V共享存储器,以及系统V信号量。

12.2 基于I/O多路复用的并发编程

1、echo服务器必须响应两个相互独立的I/O时间:
(1)网络客户端发起连接请求
(2)用户在键盘上键入命令行。
2、I/O多路复用技术的基本思路: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。
3、将描述符集合看成是n位位向量:b(n-1),……b1,b0
每个位bk对应于描述符k,当期仅当bk=1,描述符k才表明是描述符集合的一个元素。可以做以下三件事:
(1)分配它们;
(2)将一个此种类型的变量赋值给另一个变量;
(3)用FDZERO、FDSET、FDCLR和FDISSET宏指令来修改和检查它们。
4、echo函数:将来自科幻段的每一行回送回去,直到客户端关闭这个链接。

12.2.1 基于I/O多路复用的并发时间驱动服务器
状态机就是一组状态、输入事件和转移,转移就是将状态和输入时间映射到状态,自循环是同一输入和输出状态之间的转移。

12.2.2 I/O多路复用技术的优势
事件驱动器的设计优点:
(1)比基于进程的设计给了程序员更多的对程序行为的控制
(2)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。
(3)不需要进程上下文切换来调度新的流。
缺点:
(1)编码复杂
(2)不能充分利用多核处理器
粒度:每个逻辑流每个时间片执行的指令数量。并发粒度就是读一个完整的文本行所需要的指令数量。

12.3 基于线程的并发编程

1、线程:运行子啊进程上下文中的逻辑流。
2、线程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。

12.3.1 线程执行模型
1、主线程:每个进程开始生命周期时都是单一线程。
对等线程:某一时刻,主线程创建的对等线程
2、线程与进程的不同:
(1)线程的上下文切换要比进程的上下文切换快得多;
(2)和一个进程相关的线程组成一个对等池,独立于其他线程创建的线程。
(3)主线程和其他线程的区别仅在于它总是进程中第一个运行的线程。
3、对等池的影响
(1)一个线程可以杀死它的任何对等线程;
(2)等待它的任意对等线程终止;
(3)每个对等线程都能读写相同的共享资源。

12.3.2 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。

12.3.3 创建线程
pthread create函数创建一个新的线程,并带着一个输入变量arg,在新线程的上下文中运行线程例程f。新线程可以通过调用pthread _self函数来获得自己的线程ID。

12.3.4 终止线程
一个线程的终止方式:
(1)当顶层的线程例程返回时,线程会隐式的终止;
(2)通过调用pthread _exit函数,线程会显示地终止。如果主线程调用pthread _exit,它会等待所有其他对等线程终止,然后再终止主线程和整个进程。

12.3.5 回收已终止线程的资源
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。

12.3.6 分离线程
1、在任何一个时间点上,线程是可结合的或者是分离的。一个可结合的线程能够被其他线程收回其资源和杀死;一个可分离的线程是不能被其他线程回收或杀死的。它的存储器资源在它终止时有系统自动释放。
2、默认情况下,线程被创建成可结合的,为了避免存储器漏洞,每个可集合的线程都应该要么被其他进程显式的回收,要么通过调用pthread _detach函数被分离。

12.3.7 初始化线程
pthread _once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.

12.3.8 一个基于线程的并发服务器
对等线程的赋值语句和主线程的accept语句之间引入了竞争。

12.4 多线程程序中的变量共享

12.4.1 线程存储器模型
1、每个线程和其他线程一起共享进程上下文的剩余部分。包括整个用户虚拟地址空间,是由只读文本、读/写数据、堆以及所有的共享库代码和数据区域组成的。线程也共享同样的打开文件的集合。
2、任何线程都可以访问共享虚拟存储器的任意位置。寄存器是从不共享的,而虚拟存储器总是共享的。

12.4.2 将变量映射到存储器
1、全局变量: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。
2、本地自动变量:定义在函数内部但没有static属性的变量。
3、本地静态变量:定义在函数内部并有static属性的变量。

12.4.3 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

1、共享变量引入了同步错误的可能性。
2、线程i的循环代码分解为五部分:
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。

12.5.1 进度图
1、进度图将指令执行模式化为从一种状态到另一种状态的转换。转换被表示为一条从一点到相邻点的有向边。合法的转换是向右或者向上。
2、临界区:对于线程i,操作共享变量cnt内容的指令构成了一个临界区。
3、互斥的访问:确保每个线程在执行它的临界区中的指令时,拥有对共享变量的互斥的访问。
4、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
5、任何安全轨迹线都能正确的更新共享计数器。

12.5.2 信号量
1、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。
2、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。

12.5.3 使用信号量来实现互斥
1、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,这种方式来保护共享变量的信号量。
2、互斥锁:以提供互斥为目的的二元信号量
加锁:一个互斥锁上执行P操作称为对互斥锁加锁,执行V操作称为对互斥锁解锁。对一个互斥锁加了锁但还没有解锁的线程称为占用了这个互斥锁。
计数信号量:一个呗用作一组可用资源的计数器的信号量

12.5.4 利用信号量来调度共享资源
1、信号量的作用:
(1)提供互斥
(2)调度对共享资源的访问
2、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。
3、读者—写者问题:
(1)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。
(2)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。
(3)饥饿就是一个线程无限期地阻塞,无法进展。

12.6 使用线程提高并行性

写顺序程序只有一条逻辑流,写并发程序有多条并发流,并行程序是一个运行在多个处理器上的并发程序。并行程序的集合是并发程序集合的真子集。

12.7 其他并发问题

12.7.1 线程安全
1、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:如果一个函数不是线程安全的,就是线程不安全的。
2、线程不安全的类:
(1)不保护共享变量的函数
(2)保持跨越多个调用的状态的函数。
(3)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。
(4)调用线程不安全函数的函数。

12.7.2 可重入性
1、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。可重入函数是线程安全函数的一个真子集 。
2、关键思想是我们用一个调用者传递进来的指针取代了静态的next变量。
3、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
4、可重入性即使调用者也是被调用者的属性,并不只是被调用者单独的属性。

12.7.4 竞争
1、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。
2、线程化的程序必须对任何可行的轨迹线都正确工作。

12.7.5 死锁
1、死锁:一组线程被阻塞了,等待一个永远也不会为真的条件。
2、程序员使用P和V操作不当,以至于两个信号量的禁止区域重叠。
3、重叠的禁止区域引起了一组称为死锁区域的状态。
4、死锁是不可预测的。

代码练习

pthread库不是linux系统默认的库,因此pthread_creat创建线程时,在编译中要加上-lpthread参数。

countwithmutex.c
PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER来静态初始化互斥锁。先创建tidA线程后运行doit函数,利用互斥锁锁定资源,进行计数,执行完毕后解锁。后创建tidB,与tidA交替执行。由于定义的NLOOP值为5000,所以程序最后的输出值为10000.程序的最后还需要分别回收tidA和tidB的资源。

count.c

for循环中没有引入互斥锁,只进行了单纯的计数,创建两个线程共享同一变量都实现加一操作。

condvar.c

主函数中用srand(time(NULL))设置当前的时间值为种子,在后面的producer和consumer函数中调用rand()函数产生随机数。

createthread.c

主要演示了创建线程函数pthread_create()函数的使用,用来打印进程和线程的ID。

semphore.c
sem_init函数sem_init(sem_t *sem, int pshared, umsigned int value);
函数初始化一个定位在sem的匿名信号量;pshared参数为0指明信号量是由进程内线程共享,若为非0值则信号量在进程之间共享;value参数指定信号量的初始值。
sem_init()成功时返回0;错误时返回-1,并把errno设置为合适的值。

share.c

threadexit.c

hello_multi.c
程序中的print_msg()函数中:在printf后的fflush(stdout);说明要立刻将要输出的内容输出,每输出一次停1秒,并循环5次。

hello_multi1.c

hello_single.c
根据代码,先单独执行print_msg("hello");——输出5个hello,后输出5个带换行的world

incprint.c
由于定义中NUM=5,所以输出的count为1——5

twordcount.c

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 100/100 1/2 10/10
第二周 150/250 1/3 12/22
第三周 200/450 1/4 20/42
第四周 300/750 1/5 20/62
第五周 300/1150 1/6 20/82
第六周 300/1450 1/7 20/102
第七周 200/1650 1/8 20/122
第八周 210/1860 1/9 20/142
第九周 210/2070 1/10 20/162
第十周 210/2070 1/11 20/182
第十一周 210/2280 1/12 20/202
第十二周 0/2070 1/13 20/222
第十三周 200/2270 1/14 20/242
posted @ 2016-12-11 22:54  20145310刘宇飞  阅读(136)  评论(1编辑  收藏  举报