20155236 《信息安全系统设计基础》第13周学习总结
网络编程
- 套接字接口概述：
并发编程
- 并发：逻辑控制流在时间上重叠
- 并发程序：使用应用级并发的应用程序称为并发程序。
- 三种基本的构造并发程序的方法：
- 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。
- 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。
- 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。
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：
- 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）
- 必须要包括一个SIGCHLD处理程序来回收僵死子进程的资源
- 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多路复用的并发编程
- echo服务器必须响应两个相互独立的I/O时间：
- 网络客户端发起连接请求
- 用户在键盘上键入命令行
- 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。
- 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，当且仅当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：- 分配；
- 将一个此种类型的变量赋值给另一个变量；
- 用FDZERO、FDSET、FDCLR和FDISSET宏指令来修改和检查它们。
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。- 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。
- 事件驱动器的设计优点：
- 比基于进程的设计给了程序员更多的对程序行为的控制
- 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。
- 不需要进程上下文切换来调度新的流。
- 缺点：
- 编码复杂
- 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。
基于线程的并发编程
- 线程：运行子啊进程上下文中的逻辑流。
- 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。
线程执行模型
- 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 - 线程与进程的不同：
- 线程的上下文切换要比进程的上下文切换快得多；
- 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。
- 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。
- 对等池的影响
- 一个线程可以杀死它的任何对等线程；
- 等待它的任意对等线程终止；
- 每个对等线程都能读写相同的共享资源。
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。
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。
终止线程
- 一个线程的终止方式：
- 当顶层的线程例程返回时，线程会隐式的终止；
- 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。
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。
分离线程
- 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。
- 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。
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
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。
多线程程序中的变量共享
线程存储器模型
- 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。
- 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。
将变量映射到存储器
- 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。
- 本地自动变量：定义在函数内部但没有static属性的变量。
- 本地静态变量：定义在函数内部并有static属性的变量。
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。
用信号量同步线程
- 共享变量引入了同步错误的可能性。
- 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。
进度图
- 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。
- 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。
- 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。
- 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
- 任何安全轨迹线都能正确的更新共享计数器。
信号量
- 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。
- 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。
- 信号量定义：
type semaphore=record count: integer; queue: list of process end; var s:semaphore;
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
- 信号量的作用：
- 提供互斥
- 调度对共享资源的访问
- 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。
- 读者—写者问题：
- 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。
- 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。
- 饥饿就是一个线程无限期地阻塞，无法进展。
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。
其他并发问题
线程安全
- 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。
- 线程不安全的类：
- 不保护共享变量的函数
- 保持跨越多个调用的状态的函数。
- 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。
- 调用线程不安全函数的函数。
可重入性
- 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 。
- 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。
- 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 - 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。
在线程化的程序中使用已存在的库函数
- 使用线程不安全函数的可重入版本，名字以_r为后缀结尾。
竞争
- 竞争发生的原因：
- 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。也就是说，程序员假定线程会按照某种特殊的轨迹穿过执行状态空间，忘了一条准则规定：线程化的程序必须对任何可行的轨迹线都正确工作。
- 消除方法：动态的为每个整数ID分配一个独立的块，并且传递给线程例程一个指向这个块的指针
死锁
- 死锁：一组线程被阻塞了，等待一个永远也不会为真的条件。
- 程序员使用P和V操作顺序不当，以至于两个信号量的禁止区域重叠。
- 重叠的禁止区域引起了一组称为死锁区域的状态。
- 死锁是一个相当难的问题，因为它是不可预测的。
- 互斥锁加锁顺序规则：如果对于程序中每对互斥锁(s,t)，给所有的锁分配一个全序，每个线程按照这个顺序来请求锁，并且按照逆序来释放，这个程序就是无死锁的。
实践
count.c
代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#define NLOOP 5000
int counter;
void *doit( void * );
int main(int argc, char **argv)
{
pthread_t tidA, tidB;
pthread_create( &tidA ,NULL, &doit, NULL );
pthread_create( &tidB ,NULL, &doit, NULL );
pthread_join( tidA, NULL );
pthread_join( tidB, NULL );
return 0;
}
void * doit( void * vptr)
{
int i, val;
for ( i=0; i<NLOOP; i++ ) {
val = counter++;
printf("%x: %d \n", (unsigned int) pthread_self(), val + 1);
counter = val + 1;
}
}
- 这是一个不加锁的情况，两个线程共享同一变量都实现加1操作的程序，在这个程序中虽然每个线程都给count加了5000，但由于结果的互相覆盖，最终输出值不是10000，而是5000。
- 不过在后续的调试中，也不完全都是5000，有时少于5000有时比5000多，可能因为随机覆盖使得
counter值不固定。
countwithmutex.c
代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#define NLOOP 5000
int counter;
pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *doit( void * );
int main(int argc, char **argv)
{
pthread_t tidA, tidB;
pthread_create( &tidA ,NULL, &doit, NULL );
pthread_create( &tidB ,NULL, &doit, NULL );
pthread_join( tidA, NULL );
pthread_join( tidB, NULL );
return 0;
}
void * doit( void * vptr)
{
int i, val;
for ( i=0; i<NLOOP; i++ ) {
pthread_mutex_lock( &counter_mutex );
val = counter++;
printf("%x: %d \n", (unsigned int) pthread_self(), val + 1);
counter = val + 1;
pthread_mutex_unlock( &counter_mutex );
}
return NULL;
}
- 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。 - 相对于前一个实例，这个代码中加了“互斥锁”（Mutex），在其中一个线程（获得锁）执行时，另一个（未获得）只能等待，所以产生了不同于
count.c的输出效果。
share.c
代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
char buf[BUFSIZ];
void *thr_fn1( void *arg )
{
printf("thread 1 returning %d\n", getpid());
printf("pwd:%s\n", getcwd(buf, BUFSIZ));
*(int *)arg = 11;
return (void *) 1;
}
void *thr_fn2( void *arg )
{
printf("thread 2 returning %d\n", getpid());
printf("pwd:%s\n", getcwd(buf, BUFSIZ));
pthread_exit( (void *) 2 );
}
void *thr_fn3( void *arg )
{
while( 1 ){
printf("thread 3 writing %d\n", getpid());
printf("pwd:%s\n", getcwd(buf, BUFSIZ));
sleep( 1 );
}
}
int n = 0;
int main( void )
{
pthread_t tid;
void *tret;
pthread_create( &tid, NULL, thr_fn1, &n);
pthread_join( tid, &tret );
printf("n= %d\n", n );
printf("thread 1 exit code %d\n", (int) tret );
pthread_create( &tid, NULL, thr_fn2, NULL);
pthread_join( tid, &tret );
printf("thread 2 exit code %d\n", (int) tret );
pthread_create( &tid, NULL, thr_fn3, NULL);
sleep( 3 );
pthread_cancel(tid);
pthread_join( tid, &tret );
printf("thread 3 exit code %d\n", (int) tret );
}
- 该代码主要是为了获得线程的终止状态，thr_fn 1，thr_fn 2和thr_fn 3三个函数对应终止线程的三种方法
- 从线程函数return
- 调用pthread_exit终止自己
- 调用pthread_cancel终止同一进程中的另一个线程
其他（感悟、思考等，可选）
- 并发是一个之前没有见过的不同的机制，说没见过也不可能，我们使用的任何一个操作系统，哪个是只能在一个时间段上运行一个程序吗，都是可以重叠的，而经过本章节的学习，从程序级的角度了解到了并发，并进行了实践，这就是对书本理论的一个巩固。
- 但感觉自己还是没有太弄懂，可能是快期末了，事情太多，有些时候精力就顾不上了，还是要提高效率啊，唉……
- 我对并发的理解：并发执行只是宏观上的。在操作系统的管理下，所有正在运行的进程轮流使用CPU，每个进程允许占用CPU的时间非常短（比如10毫秒），这样用户根本感觉不出来CPU是在轮流为多个进程服务，就好象所有的进程都在不间断地运行一样。微观上一个cpu在同一时间一次还是只能执行一个进程。
- 然后参考了一下别人的博客
