信息安全系統設計基礎第十三週學習總結

時間統計

預計時間（10小時）

課本閱讀 6小時
整理筆記 3小時

實際時間(12小時)

課本閱讀 7小時
整理筆記 5小時

第十二章 併發編程

一、併發：邏輯控制流在時間上重疊 
二、併發程序：使用應用級併發的應用程序稱爲併發程序。 
三、三種基本的構造併發程序的方法：

（1）進程，用內核來調用和維護，有獨立的虛擬地址空間，顯式的進程間通訊機制。 
（2）I/O多路複用，應用程序在一個進程的上下文中顯式的調度控制流。邏輯流被模型化爲狀態機。 
（3）線程，運行在一個單一進程上下文中的邏輯流。由內核進行調度，共享同一個虛擬地址空間。

12.1 基於進程的併發編程

一、構造併發服務器的天然方法就是，在父進程中接受客戶端鏈接請求，而後建立一個新的子進程來爲每一個新客戶端提供服務。 
二、由於父子進程中的已鏈接描述符都指向同一個文件表表項，因此父進程關閉它的已鏈接描述符的拷貝是相當重要的，並且由此引發的存儲器泄露將最終消耗盡可用的存儲器，使系統崩潰。

12.1.1 基於進程的併發服務器

基於進程的併發echo服務器的重點內容

（1）須要一個SIGCHLD處理程序，來回收僵死子進程的資源。 
（2）父子進程必須關閉各自的connfd拷貝。對父進程尤其重要，以免存儲器泄露。 
（3）套接字的文件表表項中的引用計數，直到父子進程的connfd都關閉了，到客戶端的鏈接纔會終止。

12.1.2 關於進程的優劣

注意：進程的模型：共享文件表，但不是共享用戶地址空間。 優勢：一個進程不可能不當心覆蓋兩一個進程的虛擬存儲器。 
缺點：獨立的地址空間使得進程共享狀態信息變得更加困難。進程控制和IPC的開銷很高。

Unix IPC是指全部容許進程和同一臺主機上其餘進程進行通訊的技術，包括管道、先進先出（FIFO）、系統V共享存儲器，以及系統V信號量。

12.2 基於I/O多路複用的併發編程

一、echo服務器必須響應兩個相互獨立的I/O時間： 
（1）網絡客戶端發起鏈接請求（2）用戶在鍵盤上鍵入命令行。 
二、I/O多路複用技術的基本思路：使用select函數，要求內核掛起進程，只有在一個或多個I/O事件發生後，纔將控制返回給應用程序。 
三、將描述符集合當作是n位位向量：b（n-1），……b1，b0 
每一個位bk對應於描述符k，當期僅當bk=1，描述符k才代表是描述符集合的一個元素。能夠作如下三件事： 
（1）分配它們；（2）將一個此種類型的變量賦值給另外一個變量；（3）用FDZERO、FDSET、FDCLR和FDISSET宏指令來修改和檢查它們。 
四、echo函數：未來自科幻段的每一行回送回去，直到客戶端關閉這個連接。

12.2.1 基於I/O多路複用的併發時間驅動服務器

一、狀態機就是一組狀態、輸入事件和轉移，轉移就是將狀態和輸入時間映射到狀態，自循環是同一輸入和輸出狀態之間的轉移。

12.2.2 I/O多路複用技術的優點

事件驅動器的設計優勢：

（1）比基於進程的設計給了程序員更多的對程序行爲的控制 
（2）運行在單一進程上下文中，所以，每一個邏輯流都能訪問該進程的所有地址空間，使得流之間共享數據變得很容易。 
（3）不須要進程上下文切換來調度新的流。 
缺點： 
（1）編碼複雜 
（2）不能充分利用多核處理器 
粒度：每一個邏輯流每一個時間片執行的指令數量。併發粒度就是讀一個完整的文本行所須要的指令數量。

12.3 基於線程的併發編程

一、線程：運行子啊進程上下文中的邏輯流。 
二、線程有本身的線程上下文，包括一個惟一的整數線程ID、棧、棧指針、程序計數器、通用目的寄存器和條件碼。全部運行在一個進程裏的線程共享該進程的整個虛擬地址空間。

12.3.1 線程執行模型

一、主線程：每一個進程開始生命週期時都是單一線程。 
對等線程：某一時刻，主線程建立的對等線程 
二、線程與進程的不一樣：

（1）線程的上下文切換要比進程的上下文切換快得多； 
（2）和一個進程相關的線程組成一個對等池，獨立於其餘線程建立的線程。 
（3）主線程和其餘線程的區別僅在於它老是進程中第一個運行的線程。

三、對等池的影響

（1）一個線程能夠殺死它的任何對等線程； 
（2）等待它的任意對等線程終止； 
（3）每一個對等線程都能讀寫相同的共享資源。

12.3.2 Posix線程

線程例程：線程的代碼和本地數據被封裝在一個線程例程中。每個線程例程都以一個通用指針做爲輸入，並返回一個通用指針。

12.3.3 建立線程

pthread create函數建立一個新的線程，並帶着一個輸入變量arg，在新線程的上下文中運行線程例程f。新線程能夠經過調用pthread _self函數來得到本身的線程ID。

12.3.4 終止線程

一個線程的終止方式： 
（1）當頂層的線程例程返回時，線程會隱式的終止； 
（2）經過調用pthread _exit函數，線程會顯示地終止。若是主線程調用pthread _exit，它會等待全部其餘對等線程終止，而後再終止主線程和整個進程。

12.3.5 回收已終止線程的資源

pthread _join函數會阻塞，直到線程tid終止，回收已終止線程佔用的全部存儲器資源。pthread _join函數只能等待一個指定的線程終止。

12.3.6 分離線程

一、在任何一個時間點上，線程是可結合的或者是分離的。一個可結合的線程可以被其餘線程收回其資源和殺死；一個可分離的線程是不能被其餘線程回收或殺死的。它的存儲器資源在它終止時有系統自動釋放。 
二、默認狀況下，線程被建立成可結合的，爲了不存儲器漏洞，每一個可集合的線程都應該要麼被其餘進程顯式的回收，要麼經過調用pthread _detach函數被分離。

12.3.7 初始化線程

pthread _once函數容許初始化與線程例程相關的狀態。 
once _control變量是一個全局或者靜態變量，老是被初始化爲PTHREAD _ONCE _INIT.

12.3.8 一個基於線程的併發服務器

對等線程的賦值語句和主線程的accept語句之間引入了競爭。

12.4 多線程程序中的變量共享

12.4.1 線程存儲器模型

一、每一個線程和其餘線程一塊兒共享進程上下文的剩餘部分。包括整個用戶虛擬地址空間，是由只讀文本、讀/寫數據、堆以及全部的共享庫代碼和數據區域組成的。線程也共享一樣的打開文件的集合。 二、任何線程均可以訪問共享虛擬存儲器的任意位置。寄存器是從不共享的，而虛擬存儲器老是共享的。

12.4.2 將變量映射到存儲器

一、全局變量：虛擬存儲器的讀/寫區域只會包含每一個全局變量的一個實例。 
二、本地自動變量：定義在函數內部但沒有static屬性的變量。 
三、本地靜態變量：定義在函數內部並有static屬性的變量。

12.4.3 共享變量

變量v是共享的，當且僅當它的一個實例被一個以上的線程引用。

12.5 用信號量同步線程

一、共享變量引入了同步錯誤的可能性。 
二、線程i的循環代碼分解爲五部分：

Hi：在循環頭部的指令塊 
Li：加載共享變量cnt到寄存器%eax的指令，%eax表示線程i中的寄存器%eax的值 
Ui：更新（增長）%eax的指令 
Si：將%eaxi的更新值存回到共享變量cnt的指令
Ti：循環尾部的指令塊。

12.5.1 進度圖

一、進度圖將指令執行模式化爲從一種狀態到另外一種狀態的轉換。轉換被表示爲一條從一點到相鄰點的有向邊。合法的轉換是向右或者向上。 
二、臨界區：對於線程i，操做共享變量cnt內容的指令構成了一個臨界區。 
三、互斥的訪問：確保每一個線程在執行它的臨界區中的指令時，擁有對共享變量的互斥的訪問。 
四、安全軌跡線：繞開不安全區的軌跡線 
不安全軌跡線：接觸到任何不安全區的軌跡線就叫作不安全軌跡線 
五、任何安全軌跡線都能正確的更新共享計數器。

12.5.2 信號量

一、當有多個線程在等待同一個信號量時，你不能預測V操做要重啓哪個線程。 
二、信號量不變性：一個正在運行的程序毫不能進入這樣一種狀態，也就是一個正確初始化了的信號量有一個負值。

12.5.3 使用信號量來實現互斥

一、二元信號量：將每一個共享變量與一個信號量s聯繫起來，而後用P(S)和V(s)操做將這種臨界區包圍起來，這種方式來保護共享變量的信號量。 
二、互斥鎖：以提供互斥爲目的的二元信號量 
加鎖：一個互斥鎖上執行P操做稱爲對互斥鎖加鎖，執行V操做稱爲對互斥鎖解鎖。對一個互斥鎖加了鎖但尚未解鎖的線程稱爲佔用了這個互斥鎖。 
計數信號量：一個唄用做一組可用資源的計數器的信號量

12.5.4 利用信號量來調度共享資源

一、信號量的做用：（1）提供互斥（2）調度對共享資源的訪問 二、生產者—消費者問題：生產者產生項目並把他們插入到一個有限的緩衝區中，消費者從緩衝區中取出這些項目，而後消費它們。 
三、讀者—寫者問題： 
（1）讀者優先，要求不讓讀者等待，除非已經把使用對象的權限賦予了一個寫者。 
（2）寫者優先，要求一旦一個寫者準備好能夠寫，它就會盡量地完成它的寫操做。 
（3）飢餓就是一個線程無限期地阻塞，沒法進展。

12.6 使用線程提升並行性

寫順序程序只有一條邏輯流，寫併發程序有多條併發流，並行程序是一個運行在多個處理器上的併發程序。並行程序的集合是併發程序集合的真子集。

12.7 其餘併發問題

12.7.1 線程安全

一、線程安全：當且僅當被多個併發線程反覆地調用時，它會一直產生正確的結果。 
線程不安全：若是一個函數不是線程安全的，就是線程不安全的。 
二、線程不安全的類： 
(1)不保護共享變量的函數 
(2)保持跨越多個調用的狀態的函數。 
(3)返回指向靜態變量的指針的函數。解決辦法：重寫函數和加鎖拷貝。
(4)調用線程不安全函數的函數。

12.7.2 可重入性

一、可重入函數：當它們被多個線程調用時，不會引用任何共享數據。可重入函數是線程安全函數的一個真子集 。 
二、關鍵思想是咱們用一個調用者傳遞進來的指針取代了靜態的next變量。 
三、顯式可重入：沒有指針，沒有引用靜態或全局變量 
隱式可重入：容許它們傳遞指針 
四、可重入性即便調用者也是被調用者的屬性，並不僅是被調用者單獨的屬性。

12.7.3 在線程化的程序中使用已存在的庫函數

12.7.4 競爭

一、競爭：當一個程序的正確性依賴於一個線程要在另外一個線程到達y點以前到達它的控制流中的x點時，就會發生競爭。 
二、線程化的程序必須對任何可行的軌跡線都正確工做。

12.7.5 死鎖

一、死鎖：一組線程被阻塞了，等待一個永遠也不會爲真的條件。 
二、程序員使用P和V操做不當，以致於兩個信號量的禁止區域重疊。 
三、重疊的禁止區域引發了一組稱爲死鎖區域的狀態。 
四、死鎖是不可預測的。

參考資料

一、教材：第十二章 二、課程資料：https://www.shiyanlou.com/courses/413 實驗樓實驗 三、學習指導：http://group.cnblogs.com/topic/73069.html