第十二章 并发编程
程序级并发——进程
函数级并发——线程
三种基本的构造并发程序的方法：
进程
每个逻辑控制流是一个进程，由内核进行调度，进程有独立的虚拟地址空间
I/O多路复用
逻辑流被模型化为状态机，所有流共享同一个地址空间
线程
运行在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
第一节 基于进程的并发编程
构造并发程序最简单的方法——用进程
常用函数如下：
- fork
- exec
- waitpid
构造并发服务器？
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。
需要注意的事情：
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，这个在以前的学习过程中提到过
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
就是使用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。
select函数处理类型为fd_set的集合，即描述符集合，并在逻辑上描述为一个大小为n的位向量，每一位b[k]对应描述符k，但当且仅当b[k]=1，描述符k才表明是描述符集合的一个元素。
描述符能做的三件事：
- 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它们
什么时候可以读？
当且仅当一个从该描述符读取一个字节的请求不会阻塞时
注意：
每次调用select函数时都需要更新读集合
一、基于I/O多路复用的并发事件驱动服务器
事件驱动程序：将逻辑流模型化为状态机。
状态机：
- 状态
- 输入事件
- 转移
对于状态机的理解，参考EDA课程中学习的状态转换图的画法和状态机。
整体的流程是：
- select函数检测到输入事件
- add_client函数创建新状态机
- check_clients函数执行状态转移（在课本的例题中是回送输入行），并且完成时删除该状态机。
几个需要注意的函数：
- init_pool：初始化客户端池
- add_client：添加一个新的客户端到活动客户端池中
- check_clients：回送来自每个准备好的已连接描述符的一个文本行
二、I/O多路复用技术的优劣
1.优点
- 相较基于进程的设计，给了程序员更多的对程序程序的控制
- 运行在单一进程上下文中，所以每个逻辑流都可以访问该进程的全部地址空间，共享数据容易实现
- 可以使用GDB调试
- 高效
2.缺点
- 编码复杂
- 不能充分利用多核处理器
第三节 基于线程的并发编程
这种模式混合了以上两种方法
线程：就是运行在进程上下文中的逻辑流。
每个线程都有它自己的线程上下文：
- 一个唯一的整数线程ID——TID
- 栈
- 栈指针
- 程序计数器
- 通用目的寄存器
- 条件码
一、线程执行模型
1.主线程
在每个进程开始生命周期时都是单一线程——主线程，与其他进程的区别仅有：它总是进程中第一个运行的线程。
2.对等线程
某时刻主线程创建，之后两个线程并发运行。
每个对等线程都能读写相同的共享数据。
3.主线程切换到对等线程的原因：
- 主线程执行一个慢速系统调用，如read或sleep
- 被系统的间隔计时器中断
切换方式是上下文切换
对等线程执行一段时间后会控制传递回主线程，以此类推
4.线程和进程的区别
- 线程的上下文切换比进程快得多
- 组织形式：
- 进程：严格的父子层次
- 线程：一个进程相关线程组成对等（线程）池，和其他进程的线程独立开来。一个线程可以杀死它的任意对等线程，或者等待他的任意对等线程终止。
二、Posix线程
Posix线程是C程序中处理线程的一个标准接口。基本用法是：
- 线程的代码和本地数据被封装在一个线程例程中
- 每个线程例程都以一个通用指针为输入，并返回一个通用指针。
这里需要提到一个万能函数的概念。
万能函数：
void func(void parameter)
typedef void (*uf)(void *para)即，输入的是指针，指向真正想要传到函数里的数据，如果只有一个就直接让指针指向这个数据，如果是很多就将它们放到一个结构体中，让指针指向这个结构体。后面这个方法就是万能函数的使用思想。
线程例程也是这样的。
三、创建线程
1.创建线程：pthread_create函数
#include <pthread.h>
typedef void *(func)(void *);
int pthread_create(pthread_t *tid, pthread_attr_t *attr, func *f, void *arg);
成功返回0，出错返回非0
创建一个新的线程，带着一个输入变量arg，在新线程的上下文运行线程例程f。
attr默认为NULL
参数tid中包含新创建线程的ID
2.查看线程ID——pthread_self函数
#include <pthread.h>
pthread_t pthread_self(void);
返回调用者的线程ID（TID）
四、终止线程
1.终止线程的几个方式：
- 隐式终止：顶层的线程例程返回
- 显示终止：调用pthread_exit函数
*如果主线程调用，会先等待所有其他对等线程终止，再终止主线程和整个进程，返回值为pthread_return - 某个对等线程调用Unix的exit函数，会终止进程与其相关线程
- 另一个对等线程通过以当前线程ID作为参数调用pthread_cancle来终止当前线程
2.pthread_exit函数
#include <pthread.h>
void pthread_exit(void *thread_return);
若成功返回0，出错为非0
3.pthread_cancle函数
#include <pthread.h>
void pthread_cancle(pthread_t tid);
若成功返回0，出错为非0
五、回收已终止线程的资源
用pthread_join函数：
#include <pthread.h>
int pthread_join(pthread_t tid,void **thrad_return);
这个函数会阻塞，知道线程tid终止，将线程例程返回的(void*)指针赋值为thread_return指向的位置，然后回收已终止线程占用的所有存储器资源
六、分离线程
在任何一个时间点上，线程是可结合的，或是分离的。
1.可结合的线程
- 能够被其他线程收回其资源和杀死
- 被收回钱，它的存储器资源没有被释放
- 每个可结合线程要么被其他线程显式的收回，要么通过调用pthread_detach函数被分离
2.分离的线程
- 不能被其他线程回收或杀死
- 存储器资源在它终止时由系统自动释放
3.pthread_detach函数
#include <pthread.h>
void pthread_detach(pthread_t tid);
若成功返回0，出错为非0
这个函数可以分离可结合线程tid。
线程能够通过以pthread_self()为参数的pthread_detach调用来分离他们自己。
每个对等线程都应该在他开始处理请求之前分离他自身，以使得系统能在它终止后回收它的存储器资源。
七、初始化线程：pthread_once函数
#include <pthread.h>
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
八、基于线程的并发服务器中的注意事项
1.调用pthread_create时，如何将已连接描述符传递给对等进程？
传递指针。
2.竞争问题？
见第七节。
3.避免存储器泄露？
必须分离每个线程，使它终止时它的存储器资源能被收回。
第四节 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
需要注意的有：
寄存器从不共享，虚拟存储器总是共享的。
二、将变量映射到存储器
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。
第五节 用信号量同步线程
一般而言，没有办法预测操作系统是否将为你的线程选择一个正确的顺序。
所以——进度图
一、进度图
进度图是将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，原点对应于没有任何线程完成一条指令的初始状态。
当n=2时，状态比较简单，是比较熟悉的二维坐标图，横纵坐标各代表一个线程，而转换被表示为有向边
转换规则：
- 合法的转换是向右或者向上，即某一个线程中的一条指令完成
- 两条指令不能在同一时刻完成，即不允许出现对角线
- 程序不能反向运行，即不能出现向下或向左
而一个程序的执行历史被模型化为状态空间中的一条轨迹线。
线程循环代码的分解：
- H：在循环头部的指令块
- L：加载共享变量cnt到线程i中寄存器%eax的指令。
- U：更新（增加）%eax的指令
- S：将%eax的更新值存回到共享变量cnt的指令
- T：循环尾部的指令块
几个概念
- 临界区：对于线程i，操作共享变量cnt内容的指令L,U,S构成了一个关于共享变量cnt的临界区。
- 不安全区：两个临界区的交集形成的状态
- 安全轨迹线：绕开不安全区的轨迹线
具体相关在操作系统课程中讲的更为详细，比如：
临界区使用原则（互斥条件）
- 有空让进：如果临界区空闲，则只要有进程申请就立即让其进入；
- 无空等待：每次只允许一个进程处于临界区；
- 多中择一：当没有进程在临界区，而同时有多个进程要求进入临界区，只能让其中之一进入临界区，其他进程必须等待；
- 让权等待：进入临界区的进程，不能在临界区内长时间阻塞等待某事件，使其它进程在临界区外无限期等待；
不能限制进程的并发数量和执行进度。
二、信号量
信号量实现互斥的基本原理
两个或多个进程通过传递信号进行合作，可以迫使进程在某个位置暂时停止执行（阻塞等待），直到它收到一个可以“向前推进”的信号（被唤醒）；
将实现信号灯作用的变量称为信号量，常定义为记录型变量s，其一个域为整型，另一个域为队列，其元素为等待该信号量的阻塞进程(FIFO)。
信号量定义：
type semaphore=record count: integer; queue: list of process end; var s:semaphore;
定义对信号量的两个原子操作——P和V
P（wait）
wait(s)
s.count :=s.count-1;
if s.count<0 then
begin
进程阻塞；
进程进入s.queue队列；
end;V（signal）
signal(s)
s.count :=s.count+1;
if s.count ≤0 then
begin
唤醒队首进程；
将进程从s.queue阻塞队列中移出;
end;
需要注意的是，每个信号量在使用前必须初始化。
三、使用信号量来实现互斥
1.基本思想
将每个共享变量（或者一组相关的共享变量）与一个信号量s（初始为1）联系起来，然后用P和V操作将相应的临界区包围起来。
2.几个概念
- 二元信号量：用这种方式来保护共享变量的信号量叫做二元信号量，取值总是0或者1.
- 互斥锁：以提供互斥为目的的二元信号量
- 加锁：对一个互斥锁执行P操作
- 解锁；对一个互斥锁执行V操作
- 计数信号量：被用作一组可用资源的计数器的信号量
- 禁止区：由于信号量的不变性，没有实际可能的轨迹能够包含禁止区中的状态。
3.wait(s)/signal(s)的应用
- 进程进入临界区之前，首先执行wait(s)原语，若s.count<0，则进程调用阻塞原语，将自己阻塞，并插入到s.queue队列排队；
- 注意，阻塞进程不会占用处理机时间，不是“忙等”。直到某个从临界区退出的进程执行signal(s)原语，唤醒它；
- 一旦其它某个进程执行了signal(s)原语中的s.count+1操作后，发现s.count ≤0，即阻塞队列中还有被阻塞进程，则调用唤醒原语，把s.queue中第一个进程修改为就绪状态，送就绪队列，准备执行临界区代码。
以及
- wait操作用于申请资源（或使用权），进程执行wait原语时，可能会阻塞自己；
- signal操作用于释放资源（或归还资源使用权），进程执行signal原语时，有责任唤醒一个阻塞进程。
三、利用信号量来调度共享资源
也就是说，信号量有两个作用：
- 实现互斥
- 调度共享资源
信号量分为：互斥信号量和资源信号量。
互斥信号量用于申请或释放资源的使用权，常初始化为1；
资源信号量用于申请或归还资源，可以初始化为大于1的正整数，表示系统中某类资源的可用个数。
1.信号量的物理意义
- s.count >0表示还可执行wait(s)而不会阻塞的进程数（可用资源数）。每执行一次wait(s)操作，就意味着请求分配一个单位的资源。
- 当s.count ≤0时，表示已无资源可用，因此请求该资源的进程被阻塞。此时，s.count的绝对值等于该信号量阻塞队列中的等待进程数。执行一次signal操作，就意味着释放一个单位的资源。若s.count<0，表示s.queue队列中还有被阻塞的进程，需要唤醒该队列中的第一个进程，将它转移到就绪队列中。
2.常见问题
这里的常见问题有生产者-消费者问题，和读者-写者问题，都是操作系统课程中详细讲述过的，不再赘述。
第七节 其他并发问题
一、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
二、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。
四、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
五、死锁：
一组线程被阻塞了，等待一个永远也不会为真的条件。
1.条件
2.解决死锁的方法
a.不让死锁发生：
- 静态策略：设计合适的资源分配算法，不让死锁发生---死锁预防；
- 动态策略：进程在申请资源时，系统审查是否会产生死锁，若会产生死锁则不分配---死锁避免。
b.让死锁发生：
进程申请资源时不进行限制，系统定期或者不定期检测是否有死锁发生，当检测到时解决死锁----死锁检测与解除。
总结
本周内容中有很多在操作系统课程中已经详细讲述过，笔记中很多部分亦是借鉴了操作系统的课件。但是需要注意的是，课本中讲述问题的方式与操作系统课程中有些不同，本课更多是从代码角度，两者需要相辅相成，互相促进理解，这样使得学习起来更轻松，也更全面。