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  • 20145217《信息安全系统设计基础》第13周学习总结

    20145217《信息安全系统设计基础》第13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

    1、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。

    12.7.3 在线程化的程序中使用已存在的库函数

    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。

    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
    第二周 50/50 1/3 12/25
    第三周 150/200 1/4 12/37
    第五周 50/250 2/6 18/55
    第六周 30/280 2/8 20/75
    第七周 30/310 1/9 20/95
    第八周 30/340 1/10 20/115
    第九周 50/390 1/11 20/135
    第十周 200/590 1/12 20/155
    第十一周 800/1390 1/13 20/175
    第十二周 15/1405 1/14 20/195
    第十三周 50/1405 1/15 20/215

    参考资料

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  • 原文地址:https://www.cnblogs.com/jokebright/p/6160875.html
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