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2019-2020-1 20175316 《信息安全系统设计基础》第8周学习总结

教材学习内容总结

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

（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。

12.2 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：

（1）网络客户端发起连接请求
（2）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。 

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 

12.3 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。

12.3.1 线程执行模型

• 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。

• 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。

12.3.4 终止线程

• 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。

12.3.6 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。

12.4 多线程程序中的变量共享

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。

12.5 用信号量同步线程

• 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。

12.5.3 使用信号量来实现互斥

• 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。
• 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

• 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。

12.7 其他并发问题

• 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：

(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
1.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。

教材学习中的问题和解决过程

• 问题1：怎样会造成死锁状态？
• 问题1解决方案：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。且死锁状态是不可预测的。
• 问题2：线程对等池的影响是什么？
• 问题2解决方案：（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。

2019-2020-1 20175316 《信息安全系统设计基础》第8周学习总结

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