《Unix/Linux系统编程》第四章学习笔记

学习笔记

20191318 王泽文

  《Unix/Linux系统编程》

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第四章 并发编程

  本章论述了并发编程，介绍了并行计算的概念，指出了并行计算的重要性；比较了顺序算法与并行算法， 以及并行性与并发性；解释了线程的原理及其相对于进程的优势；解释了死锁问题， 并说明了如何防止并发程序中的死锁问题；讨论了信号量， 并论证了它们相对千条件变量的优点；还解释了支待 Linux 中线程的独特方式。

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  并行计算

  基于分治原则（如二叉树查找和快速排序等）的算法经常表现出高度的并行性，可通过使用并行或并发执行米提高计算速度。并行计算是一种计算方案，它尝试使用多个执行并行算法的处理器 更快速地解决问题。

  井行性与并发性

  并行算法只识别可并行执行的任务，但是它没有规定如何将任务映射到处理组件。在理想情况下，并行算法中的所有任务都应该同时实时执行。然而，真正的并行执行只能在有多个处理组件的系统中实现，比如多处理牉或多核系统。在单CPU系统中，一次只能执行一个任务。在这种情况下，同的任务只能并发执行，即在逻辑上并行执行。在单CPU系统中并发性是通过多任务处理来实现的。

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  线程

  线程是某进程同一地址空间上的独立执行单元。创建某个进程就是在一个唯一地址空间创建一个线程。当某进程开始时，就会执行该进程的主线程。如果只有一个主线程，那么进程和线程实 际上并没有区别。但是， 主线程可能会创建其他线程。 每个线程又可以创建更多的线程等。 某进程的所有线程都在该进程的相同地址空间中执行， 但每个线程都是一个独立的执行单元。

  线程优点

• 线程创建和切换速度更快：若要在某个进程中创建线程，操作系统不必为新的线程分配内存和创建页表，因为线程与进程共用同一个地址空间。所以，创建线程比创建进程更快。
• 线程的响应速度更快：一个进程只有一个执行路径。当某个进程被挂起时，帮个进程都将停止执行。相反，当某个线程被挂起时，同一进程中的其他线程可以继续执行。
• 线程更适合井行计算：并行计算的目标是使用多个执行路径更快地解决间题。基于分治原则（如二叉树查找和快速排序等）的算法经常表现出高度的并行性，可通过使用并行或并发执行来提高计算速度。

  线程缺点

• 由于地址空间共享，线程需要来自用户的明确同步。
• 许多库函数可能对线程不安全
• 在单CPU系统上，使用线程解决间题实际上要比使用顺序程序慢，这是由在运行时创建线程和切换上下文的系统开销造成的。

  线程操作

  线程的执行轨迹与进程类似。线程可在内核模式或用户模式下执行。在用户模式下，线程在进程的相同地址空间中执行，但每个线程都有自己的执行堆栈。线程是独立的执行单元，可根据操作系统内核的调度策略，对内核进行系统调用，变为桂起激活以继续执行等。为了利用线程的共享地址空间，操作系统内核的调度策略可能会优先选择同一进程中的线程，而不是不同进程中的线程。

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  Pthread并发编程

Pthread库提供了用于线程管理的以下APT。

pthread_create(thread, attr, function, arg): create thread 
pthread_exit(status）：terminate thread 
pthread_cancel(thread) : cancel thread 
pthread_attr_init(attr) : initialize thread attributes 
pthread_attr_destroy(attr): destroy thread attribute 

• 使用pthread_ create()函数创建线程。int pthread_create (pthread_t *pthread_id,pthread_attr_t•attr,void * (*func) (void *), void *arg); 如果成功则返回0,如果失败则返回错误代码。
  • pthread_id是指向pthread_t类型变员的指针。它会被操作系统内核分配的唯一线程ID填充。在POSIX中,pthread_t是一种不透明的类型。程序员应该不知道不透明对象的内容，因为它可能取决千实现情况。线程可通过pthread_self()函数获得自己的ID。在Linux中，pthread_t类型被定义为无符号长整型，因此线程ID可以打印为%lu。
  • attr是指向另一种不透明数据类型的指针，它指定线程属性。
  • func是要执行的新线程函数的人口地址。
  • arg是指向线程函数参数的指针，可写为：void *func(void *arg) ,attr参数使用：
    • 定义一个pthread展性变址pt:hread_attr_tattr。
    • 用pthread_attr_init(&attr)初始化屈性变掀。
    • 设置属性变垃并在pthread_ create()调用中使用。
    • 必要时，通过pthread_attr_destroy(&attr)释放attr资源。
• 线程ID 是一种不透明的数据类型，取决于实现悄况。因此，不应该直接比较线程ID。如果需要，可以使用pthread_ equal()函数对它们进行比较。

int pthread_equal (pthread_t tl, pthread_t t2);

• 线程函数结束后，线程即终止。或者，线程可以调用函数 int pthraad_axit {void *status)
• 一个线程可以等待另一个线程的终止， 通过：int pthread_join (pthread_t thread, void **status__ptr); 终止线程的退出状态以status_ptr返回。
• 在 Pthread中，锁被称为互斥量，意思是相互排斥。互斥变量是用 ptbread_mutex_t 类型声明的在使，用之前必须对它们进行初始化。有两种方法可以初始化互斥址。
  • 静态方法,pthreaa—mutex_t m = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 定义互斥量 m, 并使用默认属性对其进行初始化。
  • 动态方法，使用 pthread_ mutex _init() 函数
    
• 条件变量：作为锁，互斥量仅用于确保线程只能互斥地访间临界区中的共享数据对象。在Pthread中，使用类型pthread_cond_t来声明条件变拉，而且必须 在使用前进行初始化。与互斥变量一样，条件变量也可以通过两种方法进行初始化。
  • 静态方法:pthread_cond_t con= PTHREAD_COND_INITIALIZER;定义一个条件变屾con,并使用默认属性对其进行初始化。
  • 动态方法:使用pthread_cond_init()函数，可通过attr参数设置条件变量。为简便起见，我们总是使用NULLattr参数作为默认属性。
    

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其他

编程实践

  用线程计算矩阵的和

  用线程快速排序

  用线程使用互斥量计算矩阵的和

  

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