信息安全系統設計基礎第十二週學習總結

第十二章 併發編程

併發指邏輯控制流在時間上是重疊的
進程：

• 每一個控制流都是一個進程
• 是由內核來調度維護
• 有獨立的虛擬地址空間
• 在與其餘流進行通訊時，控制流必須使用某種顯式的進程間通訊機制
  I/O多用復路：
• 在併發編程中，應用程序在一個進程的上下文中顯式的調度它們本身的邏輯流
• 全部流都共享同一個地址空間
  線程：
• 是運行在單一進程上下文中的邏輯流
• 由內核進行調度
• 是進程和I/O多用復路的混合體

基於進程的併發編程

基於進程的併發服務器

因爲服務器運行時間長，因此要包括一個SIGCHLD進程程序，用來回收僵死子進程的資源

關於進程的優劣

對於父，子進程：共享文件表，但不共享用戶地址空間

基於I/O多用復路的併發編程

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，纔將控制返回應用的程序
例如：

select函數處理類型爲fd_set的集合
被容許對描述符集合作的三件事：

1. 分配他們
2. 將一個此種類型的變量賦值給另外一個變量
3. 用FD_ZERO,FD_SET,FD_CLR和FD_ISSET宏指令來修改和檢查他們
   select的兩個輸入：
4. 讀集合的描述輸入(fdset)
5. 讀集合的基數(n)
   反作用：select修改了參數fdset指向的fd_set，指明讀集合中一個稱爲準備好集合的子集

利用select實現一個迭代echo服務器：

一旦select返回，就用FD_ISSET宏指令來判斷哪一個能夠進行讀了

基於I/O多用復路的併發事件驅動服務器

一個狀態機就是一組狀態，輸入事件和轉移，其中轉移就是將狀態和輸入事件映射到狀態
自循環同一個輸入和輸出之間的轉換

• select函數檢測到輸入事件
• add_client函數建立一個新的邏輯流
• check_clients函數經過回送輸入行來執行狀態轉移

服務器使用I/O多用復，藉助select函數檢測輸入事件的發生

clientfd數組表示已鏈接描述符的集合，其中整數-1表示一個可用的槽位

I/O多用復路技術的優劣：

優勢：

1. 它比基於進程的設計給程序員更多的對程序行爲的控制
2. 一個基於I/O多用復路用事件驅動服務器是運行在一個單一進程上下文，並每一個邏輯流都能訪問該進程的所有地址空間
   缺點：

• 編碼複雜

基於線程的併發編程

每一個線程都有它本身的線程上下文，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

線程執行模型

主線程：每一個進程開始生命週期都是單一線程
某時刻，主線程建立一個對等線程，今後時開始，兩個線程併發運行

線程和進程的區別：

• 一個線程的上下文比一個進程的上下文小不少
• 線程上下文的切換要比進程上下文的切換快不少

• 進程是按照嚴格的父子層次來組織的，線程則是對等的池
  

  Posix線程

• 建立線程
  
  

• 終止線程

1. 當頂層的線程例程返回時，線程會隱式地終止
2. 經過調用pthread_exit函數，線程會顯式地終止
   
3. 某個對等線程調用Unix的exit函數，該函數終止進程以及與該進程相關的全部線程
4. 另外一個對等線程經過當前線程ID做爲參數調用pthread_cancle函數來終止當前線程
   

• 回收已終止線程的資源
  
  pthread_join函數會堵塞，直到線程tid終止，將線程例程返回的(void)指針賦值爲pthread_return指向的位置，而後回收*已終止線程佔用的全部儲存器資源

• 分離線程
  在任意一個時間點上，線程是可結合的或者是分離的
  

• 初始化線程
  

多線程程序中的共享變量

一般，線程的寄存器是從不共享的，而虛擬儲存器老是共享的

將變量映射到存儲器

• 全局變量：是定義在函數以外的變量，任何線程均可以引用
• 本地自動變量：是定義在函數內部可是沒有static屬性的變量
• 本地靜態變量：是定義在函數內部並有static屬性的變量

共享變量

若說變量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

用信號量同步線程

在共享變量的同時引入了同步錯誤的可能性
通常而言，沒有辦法預測操做系統是否能爲你的線程選擇一個正確的順序

進度圖

進度圖將n個併發線程的執行模型化爲一條n維笛卡爾空間中的軌跡線

圖的原點對應於沒有任何線程完成一條指令的初始狀態

在進度圖中，兩個臨界區的交集造成的狀態空間區域稱爲不安全區

信號量

• P(s)：若是s是非零的，那麼P將s減1，而且當即返回。若s爲零，則掛起這個線程，直到s非零
• V(s)：V操做將s加1

使用信號量來實現互斥

基本思想：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)操做將相應的臨界區包圍起來

利用信號量來調度共享資源

生產者-消費者問題

基於預線程化的併發服務器

使用線程提升並行性

最簡單的方法：將序列劃分紅t個不相交區域，而後給t個不一樣的線程每一個分配一個區域

並行程序的加速比：

其餘併發問題

線程安全

四個線程不安全函數類：

• 不保護共享變量的函數
• 保持跨越多個調用的狀態的函數
• 返回指向靜態變量指針的函數
• 調用線程不安全函數的函數

可重入性

在線程化的程序中使用已存在的函數庫

競爭

當一個程序的正確性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

死鎖

避免死鎖的規則：
互斥鎖加鎖順序規則：若是對於程序中每對互斥鎖(s,t)，每一個同時佔用s和t的線程都按照相同的順序對它們加鎖，那這個程序是無死鎖的