20145233 《信息安全系统设计基础》第十三周学习总结

20145233 《信息安全系统设计基础》第十三周学习总结

教材学习总结

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：

1、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

2、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

3、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

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

• 独立地址空间的优点是防止虚拟存储器被错误覆盖，缺点是开销高，共享状态信息才需要IPC机制

基于I/O多路复用的并发事件驱动服务器

• I/O多路复用可以用作事件并发驱动程序的基础。
• 状态机：一组状态、输入事件、输出事件和转移。
• 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。

创建线程

• 创建线程：pthread_create函数，返回时参数tid包含新创建线程的ID
• 查看线程ID：pthread_self函数，返回调用者的线程ID（TID）

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);

回收已终止线程的资源

• pthread_join函数等待其他线程终止
• 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

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。

• 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

• 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
  • pthread_detach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。

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

• 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。

• 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

• 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。
• 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。

利用信号量来调度共享资源

• 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。

• 常见问题有生产者-消费者问题，和读者-写者问题

其他并发问题

• 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

代码调试学习总结

countwithmutex.c

• 第一次编译时按照之前的方法编译，报错。根据错误提示，发现pthread库不是linux系统默认的库，联系看过的相关线程的部分，就很好理解。
  

• 代码中涉及到的函数：

pthread_creat：创建线程，若成功则返回0，若失败则返回出错编号。第一个参数为指向线程标识符的指针，创建成功时指向的内存单元被设置为新创建线程的线程ID；第二个参数设置线程属性；第三个参数是线程运行函数的起始地址；最后一个参数是运行函数的参数

pthread_join：用来等待一个线程的结束。当函数返回时，被等待线程的资源被收回。

pthread_mutex_lock：线程调用该函数让互斥锁上锁。成功锁定时返回0，其他任何返回值都表示出现了错误。

pthread_mutex_unlock：与pthread_mutex_lock成对存在。释放互斥锁。

• 程序首先定义了一个宏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

• 这个代码用于与countwithmutex.c进行对比，差别在于本代码doit函数的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。
• 我看了代码最高赋值应该到5000就结束了，但是我的一直运行到5987，还不太清楚是为什么？
  

condvar.c

• 这个代码演示的是生产者生产和消费者消费交替进行的过程。是线程间同步的一种情况。
• 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。
  

cp_t.c

• mmap函数

void* mmap(void* start,size_t length,int prot,int flags,int fd,off_t offset);

• 将一个文件或者其他对象映射进内存。文件被映射到多个页上，如果文件的大小不是所有页的大小之和，最后一个页不被使用的空间将会清零。mmap在用户空间映射调用系统中作用很大。
• 成功执行时，mmap()返回被映射区的指针，munmap()返回0.失败时，mmap()返回MAP_FAILED,munmap返回-1.
• lseek函数

off_t lseek(int fd,off_t offset,int whence);

• fd表示要操作的文件描述符，offset是相对于whence(基准)的偏移量，whence可以是SEEK_SET（文件指针开始），SEEK_CUR（文件指针当前位置），SEEK_END(文件指针尾)
• lseek主要作用是移动文件读写指针，返回文件读写指针距文件开头的字节大小，若出错则返回-1.

createthread.c

• 程序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
  

sieve.c

• 第一次编译的时候出现了问题，就是没有sqrt的函数，我下意识地以为编译会自动调用常用的哭，但是math库不再里面，所以在编译的时候要加上-lm。
  

• 但是后面又出现了段错误，还不清楚为什么。
  

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。
• sem_destroy()函数用于销毁由sem指向的匿名信号量。只有通过sem_init（）初始化的信号量才应该使用该函数销毁。函数成功时返回0，错误时返回-1，并把errno设置为合适的值。
• 这个函数和之前的condvar.c一样都是展示生产者和消费者交替工作的过程。区别是本程序实现生产或消费的过程是利用sem_wait()和sem_post()，它们的作用分别是从信号量的值减去一个“1”和从信号量的值加上一个“1”

share.c

• 代码运行结果如下：
  

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。
• 代码运行如下：
  

hello_multi1.c

• 代码只输出hello99
  

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
  

twordcount.c

• 因为我的虚拟机共享功能换了，所以老师给的txt没有放在虚拟机中，我就自己写了两个txt文件，但是就没有按照老师的来做，代码显示的词的数量就一直是0了。

twordcount1.c

twordcount2.c

twordcount3.c

twordcount4.c

代码托管链接

-代码托管链接

总结思考

• 本周的学习任务还是蛮多的，首先书本上有两章的内容要看，并且还要看看去年学长学姐做得家庭作业，最后还要将老师给的代码都运行调试一遍。
• 开始的时候，我先运行的代码，其中一些代码只能根据运行结果来判断代码的作用都是什么，再结合书上的内容，其中十二章刘念老师也讲了很多，在这门课程学了之后有了更深的感觉，其中很多知识在看了两遍之后结合代码的运行再有了深刻理解。

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	24篇	350小时
第一周	0/0行	1/2	20小时
第二周	53/53行	1/3	25/45小时
第三周	130/183行	1/4	30/75小时
第四周	0/183行	0/4	5/80小时
第五周	158/341行	1/5	30/110小时
第六周	84/425行	2/7	30/140小时
第七周	209/634行	1/7	30/170小时
第八周	0/634行	2/9	25/195小时
第九周	83/717行	2/11	30/225小时
第十周	421/1138行	2/13	25/250小时
第十一周	1827/2965行	2/15	30/280小时
第十二周	0/2965行	3/18	20/300小时
第十三周	873/3838行	1/19	25/325小时

参考资料

-教学进程

• 课本上两章的内容
• 老师本周所给的代码、PPT等资料。