信息安全系统设计基础第十二周学习总结

第十二章 并发编程

并发指逻辑控制流在时间上是重叠的

进程：

每个控制流都是一个进程

是由内核来调度维护

有独立的虚拟地址空间

在与其他流进行通信时，控制流必须使用某种显式的进程间通信机制

I/O多用复路：

在并发编程中，应用程序在一个进程的上下文中显式的调度它们自己的逻辑流

所有流都共享同一个地址空间

线程：

是运行在单一进程上下文中的逻辑流

由内核进行调度

是进程和I/O多用复路的混合体

基于进程的并发编程

基于进程的并发服务器

由于服务器运行时间长，所以要包括一个SIGCHLD进程程序，用来回收僵死子进程的资源

关于进程的优劣

对于父，子进程：共享文件表，但不共享用户地址空间

基于I/O多用复路的并发编程

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，才将控制返回应用的程序

例如：



select函数处理类型为fd_set的集合

被允许对描述符集合做的三件事：

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

select的两个输入：

读集合的描述输入(fdset)

读集合的基数(n)

副作用：select修改了参数fdset指向的fd_set，指明读集合中一个称为准备好集合的子集

利用select实现一个迭代echo服务器：







一旦select返回，就用FD_ISSET宏指令来判断哪个可以进行读了

基于I/O多用复路的并发事件驱动服务器

一个状态机就是一组状态，输入事件和转移，其中转移就是将状态和输入事件映射到状态

自循环同一个输入和输出之间的转换



select函数检测到输入事件

add_client函数创建一个新的逻辑流

check_clients函数通过回送输入行来执行状态转移

服务器使用I/O多用复，借助select函数检测输入事件的发生



clientfd数组表示已连接描述符的集合，其中整数-1表示一个可用的槽位

I/O多用复路技术的优劣：

优点：

它比基于进程的设计给程序员更多的对程序行为的控制

一个基于I/O多用复路用事件驱动服务器是运行在一个单一进程上下文，并每个逻辑流都能访问该进程的全部地址空间

缺点：

编码复杂

基于线程的并发编程

每个线程都有它自己的线程上下文，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

线程执行模型

主线程：每个进程开始生命周期都是单一线程

某时刻，主线程创建一个对等线程，从此时开始，两个线程并发运行

线程和进程的区别：

一个线程的上下文比一个进程的上下文小很多

线程上下文的切换要比进程上下文的切换快很多

进程是按照严格的父子层次来组织的，线程则是对等的池

Posix线程

创建线程





终止线程

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



某个对等线程调用Unix的exit函数，该函数终止进程以及与该进程相关的所有线程

另一个对等线程通过当前线程ID作为参数调用pthread_cancle函数来终止当前线程



回收已终止线程的资源



pthread_join函数会堵塞，直到线程tid终止，将线程例程返回的(void)指针赋值为pthread_return指向的位置，然后回收*已终止线程占用的所有储存器资源

分离线程

在任意一个时间点上，线程是可结合的或者是分离的



初始化线程

多线程程序中的共享变量

通常，线程的寄存器是从不共享的，而虚拟储存器总是共享的

将变量映射到存储器

全局变量：是定义在函数之外的变量，任何线程都可以引用

本地自动变量：是定义在函数内部但是没有static属性的变量

本地静态变量：是定义在函数内部并有static属性的变量

共享变量

若说变量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

在共享变量的同时引入了同步错误的可能性

一般而言，没有办法预测操作系统是否能为你的线程选择一个正确的顺序

进度图

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



图的原点对应于没有任何线程完成一条指令的初始状态



在进度图中，两个临界区的交集形成的状态空间区域称为不安全区

信号量

P(s)：如果s是非零的，那么P将s减1，并且立即返回。若s为零，则挂起这个线程，直到s非零

V(s)：V操作将s加1

使用信号量来实现互斥

基本思想：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)操作将相应的临界区包围起来

利用信号量来调度共享资源

生产者-消费者问题

基于预线程化的并发服务器

使用线程提高并行性

最简单的方法：将序列划分成t个不相交区域，然后给t个不同的线程每个分配一个区域



并行程序的加速比：

其他并发问题

线程安全

四个线程不安全函数类：

不保护共享变量的函数

保持跨越多个调用的状态的函数

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

可重入性

在线程化的程序中使用已存在的函数库

竞争

当一个程序的正确性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

死锁

避免死锁的规则：

互斥锁加锁顺序规则：如果对于程序中每对互斥锁(s,t)，每个同时占用s和t的线程都按照相同的顺序对它们加锁，那这个程序是无死锁的