信息安全系统设计基础第十二周学习总结—20135227黄晓妍

第十二章 并发编程

　　操作系统提供了三种基本的构造并发程序的方法：

　　1、进程。每个逻辑控制流都是一个进程，由内核来调度和维护；

　　2、I/O多路复用。

　　3、线程。

 

  

　　一、基于进程的并发编程

                

      在接受连接请求之后，服务器派生出一个子进程，这个子进程获得服务器描述表完整的拷贝。子进程关闭它的拷贝中监听描述符3，父进程关闭它的已连接描述符4的拷贝，因为不需要这些描述符了。

      程序实例：

     　　

    因为通常服务器会运行很长时间，所以需要一个SIGCHLD处理程序，来回收僵死进程。因为当SIGCHLD执行时，信号是阻塞的，而UNIX信号是不排队的，所以SIGCHLD必须准备好回收多个僵死进程。另外注意，循环中的父进程和子进程关闭各自需要关闭的描述符。

    进程能够共享文件表，但不共享用户地址空间。

　　二、基于I/O多路复用的并发编程

    1、面对困境——服务器必须响应两个互相独立的I/O事件：1）网络客户端发起的连接请求  2）用户在键盘上键入的命令 ，解决的办法是I/O多路复用技术。基本思想是，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。

       select函数如下：

                  

     程序示例如下：

                      

     使用select函数的过程如下：

     第一步，初始化fd_set集，19~22行；

     第二步，调用select，25行；

     第三步，根据fd_set集合现在的值，判断是哪种I/O事件，26~31行。

    2、基于I/O多路复用的并发事件驱动服务器

        I/O多路复用可以用做并发事件驱动程序的基础，在事件驱动程序中，流是因为某种事件而前进的，一般概念是把逻辑流模型化为状态机。一个状态机就是一组状态、输入事件和转移。

        并发事件驱动程序中echo服务器中逻辑流的状态机，如下图所示：

                               

　　三、基于线程的并发编程

    1、线程运行在进程上下文中的逻辑流。线程由内核自动调度，每个线程都有它自己的线程上下文。

    2、线程执行模型。多线程的执行模型在某些方面和多进程的执行模型相似。每个进程开始生命周期时都是单一线程，这个线程称为主线程。在某一时刻，主线程创建一个对等线程，从在此刻开始，两个线程就并发地运行。

                                     

    3、Posix线程

         创建线程：

                   

        获取自身ID：

                    

       终止线程：

       有以下四种方式终止线程：

       当顶层的线程例程返回时，线程会隐式终止；

       线程调用pthread_exit函数，线程会显示终止；如果主线程调用pthread_exit，它会等到所有其他对等线程终止，然后再终止主线程和整个线程，返回值为thread_return；

       某个对等线程调用exut函数，则函数终止进程和所有与该进程相关的线程；

       另一个对等线程调用以当前ID为参数的函数ptherad_cancel来终止当前线程。

                       

　　　　　　　　

      

                      

     回收已终止线程的资源：

                    

     pthread_join函数会终止，直到线程tid终止。和wait不同，该函数只能回收指定id的线程，不能回收任意线程。

     分离线程：

     一个可结合的线程能够被其他线程回收其资源和杀死，在被其他线程回收之前，它的存储其资源是没有被释放的；相反，一个分离的线程是不能被其他线程回收或杀死的。它的存储器资源是在它终止时系统自动释放的。默认情况下，线程被创建成可结合的。但现实程序中，有很好的理由要使用分离线程。

                  

     初始化线程：该函数用来初始化多个线程共享的全局变量。

                　　

     一个基于线程的并发服务器：

                                       

　　　　　　　　　　　　　　

      以上程序可能会出错，因为在对等线程的赋值语句和主线程的accept的语句见引入了竞争——如果赋值语句在下一个accept之前完成，则不会出错；如果赋值语句是在accept之后完成，那么对等线程的局部变量connfd就得到下一次连接的描述符。解决办法是，必须将每个accept返回的描述符分配到它自己的动态分配的存储器块。（21~23行）  32行：动态内存空间释放，释放那个指向动态内存的指针即可，不一定非要是malloc当时生成的指针。

    4、多线程程序中的共享变量

          每个线程都有它自己独自的线程上下文，包括线程ID、栈、栈指针、程序计数器、条件码和通用目的寄存器值。每个线程和其他线程一起共享进程上下文的剩余部分。寄存器是从不共享的，而虚拟存储器总是共享的。线程化的c程序中变量根据它们的存储器类型被映射到虚拟存储器：全局变量，本地自动变量（不共享），本地静态变量。

    5、用信号量同步线程

        共享变量引入了同步错误。

        进度图： 

                                                                                         

　　轨迹线示例：

                                                                   

　　临界区（不安全区）：

　　　　　　

                  

     信号量：是用信号量解决同步问题，信号量s是具有非负整数值的全局变量，有两种特殊的操作来处理（P和V）：

                P(s)：如果s非零，那么P将s减1，并且立即返回。如果s为0，那么就挂起这个线程，直到s变为非零；

                V(s)：V操作将s加1。

    使用信号量实现互斥：

                                

      利用信号量调度共享资源：在这种场景中，一个线程用信号量操作来通知另一个线程，程序状态中的某个条件已经为真了。两个经典应用：

      a）生产者——消费者问题

                             

      要求：必须保证对缓冲区的访问是互斥的；还需要调度对缓冲区的访问，即，如果缓冲区是满的（没有空的槽位），那么生产者必须等待直到有一个空的槽位为止，如果缓冲区是空的（即没有可取的项目），那么消费者必须等待直到有一个项目变为可用。

                               

　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　

       注释：5~13行，缓冲区初始化，主要是对缓冲区结构体进行相关操作；16~19行，释放缓冲区存储空间；22~29行，生产（有空槽的话，在空槽中插入内容）；32~4行，消费（去除某个槽中的内容，使该槽为空）

      b）读者——写者问题

        修改对象的线程叫做写者；只读对象的线程叫做读者。写着必须拥有对对象的独占访问，而读者可以和无限多个其他读者共享对象。读者——写者问题基本分为两类：第一类，读者优先，要求不要让读者等待，除非已经把使用对象的权限赋予了一个写者。换句话说，读者不会因为有一个写者等待而等待；第二类，写者优先，要求一定能写者准备好可以写，它就会尽可能地完成它的写操作。同第一类问题不同，在一个写者后到达的读者必须等待，即使这个写者也是在等待。以下程序给出了第一类读者——写者问题的解答：

                       

      注释：信号量w控制对访问共享对象的临界区的访问。信号量mutex保护对共享变量readcnt的访问，readcnt统计当前临界区的读者数量。每当一个写者进入临界区，它就对互斥锁w加锁，每当它离开临界区时，对w解锁，这就保证了任意时刻临界区最多有一个写者；另一方面，只有第一个进入临界区的读者对w加锁，而只有最后一个离开临界区的读者对w解锁。

      综合：基于预线程的并发服务器之前介绍的基于线程的并发服务器，需要为每个客户端新建一个新线程，导致不小的代价。一个基于预线程化的服务器通过使用如下图所示的生产者——消费者模型来降低这种开销。服务器是由一个主线程和一组工作组线程构成的。主线程不断地接受来自客户端的连接请求，并将得到的连接描述符放在一个有限缓冲区中。每一个工作组线程反复地从共享缓冲区中取出描述符，为客户端服务，然后等待下一个描述符。

                           

      程序示例如下图：

                                           

　　　　　　　　　　　　　　　　

                                                               

                                                               

                                                  

　　　　　　　　　　　　　　　　　　

                                                            

       注释：26~27行，产生工作组线程；29~32行，接受客户端的连接请求，并把这些描述符放到缓冲区；35~43行，每个线程所要完成的工作；19行，初始化线程共享的全局变量。初始化有两种方式，一种是它要求主线程显示地调用一个初始化函数；第二种是，在此显示的，当第一次有某个线程调用echo_cnt函数时，使用pthread_once函数去调用初始化函数。

      6、其他并发问题

           a）四种不安全函数；

           b）可重入函数。可重入函数是线程安全函数的一个真子集，它不访问任何共享数据。可重入安全函数通常比不可重入函数更有效，因为它们不需要任何同步原语。

           c）竞争。当程序员错误地假设逻辑流该如何调度时，就会发生竞争。为了消除竞争，通常我们会动态地分配内存空间。

           d）死锁。当一个流等待一个永远不会发生的事件时，就会发生死锁。