20155223 《信息安全系统设计基础》第13周学习总结

20155223 《信息安全系统设计基础》第13周学习总结

练习题回答

12.1

父进程派生出子进程时，子进程自动获得一个已连接描述符的副本，并将相关文件表中的引用计数从1加到2。.父进程关闭其本身的描述符副本时，引用数减1，但是不为0,。只有引用数为0时，系统才会关闭文件，所以子进程依然保持连接端打开。

12.2

当一个进程终止时，内核将自动关闭所有打开的描述父。所以，当子进程退出时，其已连接文件描述符的副本也随之被删除。

12.3

假设EOF在一个描述符上为真，那么读操作将立即返回一个零返回码，以示EOF。所以，Ctrl+D会导致函数select返回，准备好的集合中有描述符0。

12.4

因为变量pool.read_set既可当输入参数又可以当输出参数，所以必须要在每一次调用select前重新初始化变量pool.read_set。

12.5

因为线程都运行在同一个进程中，他们共享同一个描述符表。因此无论有多少个线程用这个已连接描述符，文件表的引用数都等于1。所以只用一个close操作就可以释放与这个文件表相关的所有内存资源了。

12.6

• A.表格填写

	变量实例	被主线程引用？	被对等线程0引用？	被对等线程1引用？
	ptr	是	是	是
	cnt	否	是	是
	i.m	是	否	否
	msgs.m	是	是	是
	myid.p0	否	是	否
	myid.p1	否	否	是

• 说明：
  ptr是全局变量
  cnt是静态变量，被两个对等线程读写
  i.m是本地自动变量，对等线程可以获得其值，但是不会在栈中引用它
  msgs.m是本地自动变量，被两个对等线程通过ptr间接引用
  myid.p0和myid.p1是本地自动变量，分别驻留在线程0和线程1当中。
• B.变量ptr、cnt、msgs.m被主线程和两个对等线程引用，所以这三个线程是共享的。

12.7

表格填写：
%rdx1：—；0；—；—；—；—；1；1；1；—；
%rdx2：—；—；—；0；1；1；—；—；—；1；
cnt：0；0；0；0；0；1；1；1；1；1；
变量cnt最终只有一个不正确的值1。

12.8

通过画图可以看出：A、C的轨迹线避开了临界区，而B的轨迹线插入了临界区。所以A、C是安全的，B是不安全的。

12.9

解答：
A.p=1，c=1，n>1：是，必须使用互斥锁，因为生产者和消费者的访问是并发的。
B.p=1，c=1，n=1：不是，在这种情况下就不需要互斥锁信号量。一个非空缓冲区等价于一个满载缓冲区。当缓冲区包含一个项目时，生产者被阻塞；反之，消费者被阻塞。所以在任意时刻，只有一个线程可以访问缓冲区，因此不需要互斥锁。
C.p>1，c>1，n=1：不是，原因同B。

教材内容学习总结：第12章

三种并发方式

使用应用级并发的应用程序成为并发程序。现在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。进程间通信依靠进程间通信机制。
• I/O多路复用：应用程序在一个进程的上下文中显式地调度它们自己的逻辑控制六，所有流应为程序是个单独的进程而共享同一个地址空间。
• 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。可以将线程看成前两种的混合体。

进程并发

进程是构造并发程序的最简单方法。使用熟悉的函数如fork、exec、waitpid等。例如，一个构造并发服务器的自然方法就是，在父进程中接受客户端的连接请求，然后创建一个新的子进程来为每个新客户端提供服务。
进程并发可以让父、子进程之间共享文件表，但是各个子进程之间不共享用户地址空间。一个子进程不可能会将另一个子进程的虚拟内存覆盖掉，但是各进程之间的通信仰赖进程间通信机制，使进程并发式程序比其他两种更慢。

I/O多路复用并发

I/O多路复用使用select函数，要求内核挂起进程，只有存在一个或多个I/O时间发生后，才将控制返回给应用程序。
I/O多路复用方式使得程序员可以更多地控制程序行为。一个基于I/O多路复用的并发服务器是运行在单一进程的上下文中的，因此每个逻辑流都可以访问该进程的全部地址空间。但是此类并发程序编码量特大，难以进行快速修改。而当单位时间内访问程序的次数增加，I/O多路复用服务器的代码量也必须增加，不然极易被过多的访问量冲击而损坏。

线程并发

线程是I/O多路复用和进程的混合体。线程不存在进程那样的父子结构，每个对等线程都可以读写相同的共享数据。因为线程上下文比进程上下文小得多，因此线程上下文的切换比进程的要快很多。

线程相关函数

• 创建线程：pthread_create。新创建的线程通过函数pthread_self来获取自身的线程ID。
• 终止线程：pthread_exit。线程会显式地终止，如果是主线程调用此函数，那么这个线程必须等待其他所有对等线程终止，然后再终止主线程和整个进程。终止当前进程用函数pthread_cancel。
• 回收线程资源：pthread_join。此函数会阻塞，直到目标线程终止。
• 分离线程：pthread_detach。
• 线程初始化：pthread_once。

用信号量同步线程

共享变量是线程之间共享信息的一个重要手段，但是共享变量也引入了同步错误的可能性。同步错误是一种同步不同执行线程问题。解决这种问题的方案是信号量这一特殊类型变量。
信号量是一种全局非负整数型变量，信号量只能通过两种操作：P和V来处理。
P操作：当信号量非零时，信号量减一。当信号量为0时，系统挂起这个线程，直到信号量重新变为非0。
V操作：与P操作相反。
P操作和V操作保证信号量不为负。
使用信号量来实现互斥的基本思想是将每个共享变量（或者一组相关的共享变量）与一个初始值为1的信号量联系起来，然后用P操作和V操作将相应地临界区包围起来。以这种方式来保护变量的信号量叫二元信号量，因为它的值总是0和1。以提供互斥为目的的二元信号量常常也成为互斥锁。在互斥锁上执行P操作叫加锁，执行V操作叫解锁。

利用信号量来调度共享资源

• 生产者——消费者问题
  

• 读者——写者问题
  一组并发的线程要访问一个共享对象。有些线程只读对象，而其他线程只修改对象。读对象的是读者，修改对象的叫写者。写者必须独占对象，读者可以和其他读者一同共享对象。一般来说，有无限多个并发的读者和写者。

教材学习中的问题和解决过程

• 问题1：读者——写者问题有两大类：读者优先、写者优先。那么怎么用信号量来解决这类问题？
• 问题1的解决方案：
  这是我上网找的一份代码。
  使用AW表示正在写的线程，WW表示正在等待写的线程。
  AR表示正在读的线程，WR表示正在读的线程。
  使用锁lock对AW WW AR WR进行互斥访问。
  okToread okTowrite为条件变量。

AR = 0;
AW = 0;
WR = 0;
WW = 0;
Condition okToRead;
Condition okToWrite;
Lock lock;
void reader()
{
    while(true)
    {
        startread();  //等，直到没有在等待或正在写的写者
        read;
        doneread();   //如果有等待的写者，唤醒写者
    }
}
void startread()
{
    lock.acquire();
    while((WW+AW)>0)  //如果有在等待或正在写的写者，读者阻塞
    {
        WR++;
        okToread.wait(&lock);
        WR--;
    }
    AR++;
    lock.release();
 }
 void doneread()
 {
     lock.require();
     AR--;
     if(AR==0 && WW>0)     //如果正在读的读者为零且有在等待的写者，唤醒写者
         okToWrite.signal();
     lock.release();
 }

void writer()
{
    while(true)
    {
        startwrite(); //等，直到没有正在写的读者或写者
        write;
        donewrite();  //如果有正在等待的写者，唤醒，否则如果有正在等待的读者，唤醒
     }
 }
 void startwrite()
 {
     lock.require();
     while((AR + AW) >0 )  //如果有正在写的读者或写者，写者等待
     {
         WW++;
         okTowrite.wait(&lock);
         WW--;
      } 
      AW++;
      lock.release();
  }
  void donewrite()
  {
      lock.require();
      AW--;      
      if(WW>0)          //如果有写者等待，唤醒写者
          okTowrite.signal();
      else if(WR>0)    //如果有读者等待，唤醒读者
          okToread.broadcast();
      lock.release();
   }

能帮助我理解怎么用信号量来解决读者写者问题。

第12章关键字

进程并发、I/O多路复用并发、线程并发、信号量解决互斥和共享资源。

代码调试中的问题和解决过程

• 问题1：从网上寻找的部分代码不能在虚拟机中实现，尽管已经排除掉所有语法错误、编译错误、存储错误，仍然是不能出结果。
• 问题1的解决方案：后确认是系统版本问题，我使用的乌班图系统版本很低，有些输入输出格式不兼容。

代码托管

结对及互评

本周结对学习情况

20155207
结对照片
结对学习内容
- 第12章线程部分
- 实验五

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	31/31	1/1	20/20
第三周	24/55	2/3	24/44	知道浮点数怎么储存的
第四周	177/328	2/5	17/61	现在我的C语言程序也会在Linux命令行下使用了:*）
第五周	54/382	2/7	18/79	复习一遍汇编语言
第七周	2360/2722	1/8	12/91
第八周	624/3344	2/10	19/110	了解多线程和多进程
第九周	1112/4456	3/13	15/125	学习怎么实现pwd命令
第十一周	157/4613	2/15	10/135	在紧急情况下恢复不可使用的虚拟机
第十三周	999/5471	2/17	17/152	回顾了线程部分的内容

参考资料

• 《深入理解计算机系统V3》学习指导