20145326蔡馨熤《信息安全系统设计基础》第13周学习总结

20145326蔡馨熤《信息安全系统设计基础》第13周学习总结

教材内容总结

网络编程简单过了一遍

• 点分十进制：

• 检索并打印一个DNS条目

• 本机回送地址

• 多个域名映射为同一个IP地址

• 多个域名映射到多个IP地址

并发编程（过多内容不再赘述）

• 程序级并发——进程

• 函数级并发——线程

• 三种基本的构造并发程序的方法：

  • 进程：每个逻辑控制流是一个进程，由内核进行调度，进程有独立的虚拟地址空间

  • I/O多路复用：逻辑流被模型化为状态机，所有流共享同一个地址空间

  • 线程：运行在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

• I/O多路复用技术使用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函数处理类型为fd_set的集合，即描述符集合，并在逻辑上描述为一个大小为n的位向量，每一位b[k]对应描述符k，但当且仅当b[k]=1，描述符k才表明是描述符集合的一个元素。

• 描述符能做的三件事： 1、分配他们 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

• 当且仅当一个从该描述符读取一个字节的请求不会阻塞时，描述符k表示准备好可以读了
• 我们必须在每次调用select时都更新读集合
• 事件驱动程序：将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，其中转移就是将状态和输入事件映射到状态。

• 基于I/O多路复用的并发事件驱动服务器的流程如下：

  • select函数检测到输入事件
  • add_client函数创建新状态机
  • check_clients函数执行状态转移（在课本的例题中是回送输入行），并且完成时删除该状态机。

基于线程的并发编程

• 线程：就是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：
  • 一个唯一的整数线程ID——TID
  • 栈
  • 栈指针
  • 程序计数器
  • 通用目的寄存器
  • 条件码

进度图

• 进度图是将n个并发线程的执行模型化为一条n维笛卡尔空间中的轨迹线，原点对应于没有任何线程完成一条指令的初始状态。

• 当n=2时，状态比较简单，是比较熟悉的二维坐标图，横纵坐标各代表一个线程，而转换被表示为有向边

• 转换规则：

  • 合法的转换是向右或者向上，即某一个线程中的一条指令完成
  • 两条指令不能在同一时刻完成，即不允许出现对角线
  • 程序不能反向运行，即不能出现向下或向左

一个程序的执行历史被模型化为状态空间中的一条轨迹线。

• 线程循环代码的分解：

  • H：在循环头部的指令块
  • L：加载共享变量cnt到线程i中寄存器%eax的指令。
  • U：更新（增加）%eax的指令
  • S：将%eax的更新值存回到共享变量cnt的指令
  • T：循环尾部的指令块

• 几个概念：

  • 临界区：对于线程i，操作共享变量cnt内容的指令L,U,S构成了一个关于共享变量cnt的临界区。
  • 不安全区：两个临界区的交集形成的状态
  • 安全轨迹线：绕开不安全区的轨迹线

实践过程

关于countwithmutex.c

• 首次编译时按照之前的方法编译，报错。根据错误提示，发现pthread库不是linux系统默认的库，因此pthread_creat创建线程时，在编译中要加上-lpthread参数。修正后顺利编译。

• 代码中涉及到的函数：

pthread_creat：创建线程，若成功则返回0，若失败则返回出错编号。第一个参数为指向线程标识符的指针，创建成功时指向的内存单元被设置为新创建线程的线程ID；第二个参数设置线程属性；第三个参数是线程运行函数的起始地址；最后一个参数是运行函数的参数

pthread_join：用来等待一个线程的结束。当函数返回时，被等待线程的资源被收回。

pthreadmutexlock：线程调用该函数让互斥锁上锁。成功锁定时返回0，其他任何返回值都表示出现了错误。

pthreadmutexunlock：与pthreadmutexlock成对存在。释放互斥锁。

 

• 程序首先定义了一个宏PTHREADMUTEXINITIALIZER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。

关于count.c

• 这个代码用于与countwithmutex.c进行对比，差别在于本代码doit函数的for循环中没有引入互斥锁，只进行了单纯的计数，创建两个线程共享同一变量都实现加一操作。运行结果如下。

每次运行的结果都不一样。是因为随机的覆盖吗？

关于condvar.c

• 这个代码演示的是生产者生产和消费者消费交替进行的过程。是线程间同步的一种情况。

• 主函数中用srand(time(NULL))设置当前的时间值为种子，在后面的producer和consumer函数中调用rand()函数产生随机数。 

 

关于cp_t.c

• mmap函数

 

void* mmap(void* start,sizet length,int prot,int flags,int fd,offt offset); 

将一个文件或者其他对象映射进内存。文件被映射到多个页上，如果文件的大小不是所有页的大小之和，最后一个页不被使用的空间将会清零。mmap在用户空间映射调用系统中作用很大。 - 成功执行时，mmap()返回被映射区的指针，munmap()返回0.失败时，mmap()返回MAP_FAILED,munmap返回-1.

• lseek函数

• •offt lseek(int fd,offt offset,int whence); 

   

• fd表示要操作的文件描述符，offset是相对于whence(基准)的偏移量，whence可以是SEEK_SET（文件指针开始），SEEKCUR（文件指针当前位置），SEEKEND(文件指针尾)

• lseek主要作用是移动文件读写指针，返回文件读写指针距文件开头的字节大小，若出错则返回-1.

• 运行如下

关于createthread.c

• 程序主要演示了创建线程函数pthread_create()函数的使用，用来打印进程和线程的ID

• 主函数中先利用pthreadcreate()函数创建一个线程，接着调用printids函数（打印标识符的函数）打印主线程号，最后线程函数thrfn中打印出新建的线程号。

关于semphore.c

• seminit函数

• seminit(sem_t *sem, int pshared, umsigned int value);

   

• 函数初始化一个定位在sem的匿名信号量；pshared参数为0指明信号量是由进程内线程共享，若为非0值则信号量在进程之间共享；value参数指定信号量的初始值。
• sem_init（）成功时返回0；错误时返回-1，并把errno设置为合适的值。

• semdestroy()函数用于销毁由sem指向的匿名信号量。只有通过seminit（）初始化的信号量才应该使用该函数销毁。函数成功时返回0，错误时返回-1，并把errno设置为合适的值。

• 这个函数和之前的condvar.c一样都是展示生产者和消费者交替工作的过程。区别是本程序实现生产或消费的过程是利用semwait()和sempost()，它们的作用分别是从信号量的值减去一个“1”和从信号量的值加上一个“1”

关于share.c

• 代码运行结果如下

关于threadexit.c

• 运行如下：

关于hello_multi.c

• 程序中的print_msg（）函数中：在printf后的fflush(stdout);说明要立刻将要输出的内容输出，每输出一次停1秒，并循环5次。

关于hello_multi1.c

• 运行结果只输出hello99

关于hello_single.c

• 根据代码，先单独执行print_msg("hello");——输出5个hello，后输出5个带换行的world

关于incprint.c

• 由于定义中NUM=5，所以输出的count为1到5。

twordcount1&twordcount2

• 用法：./twordcount1 [文件1] [文件2]
• 用来统计文件1及文件2两个文件的总字数
• 运行结果：

twordcount3

• 用法：./twordcount3 [文件1] [文件2]
• 分别对文件1、文件2两个文件进行字数统计，并把两个文件的字数加起来统计两个文件的总字数
• 运行结果：

twordcount4

• 用法：./twordcount4 [文件1] [文件2]
• 分别运行代码，根据锁的情况分别统计字数，再把两个文件的字数加起来统计两个文件的总字数
• 运行结果：

代码托管

代码托管链接

心得体会

• 本周在学习完教材上的内容后，我把老师给的代码逐一进行实践，在运行代码的过程中，由于程序中调用的一些函数都是比较生疏的，需要一个一个的去理解其中每个参数的含义和函数的返回值，所以整个过程耗费了我大量的时间，不过收获还是很大的。最初看代码的时候，只能根据程序运行的结果来大致的猜测每一句代码的含义，不过在结合课本的知识后，对其又有了进一步的深刻体会。

• 不知不觉已经上了娄老师两个学期的课了，从最开始完全排斥反抗这种教学模式，到最后将这些学习方式变为自己的习惯。我现在静静一想，才明白娄老师的良苦用心。 以写博客的方式来记录自己的学习过程，不仅锻炼了文笔还理清了思绪，说得长远一点，其实是在积累自己的人生财富！不一定只有学计算机相关知识，才能发博客，看完一本书的感想或者记录平时的心情，博客园都是一个很好的平台。平时有什么问题也可以在园子里提问，博客园里面藏龙卧虎！ 我们还要学会使用git托管，虽然最开始在下载方面或者使用方面比较麻烦，但万事开头难，一旦上手，受益匪浅！比如以后电脑出现“数据流失”的话，就不用害怕了。再比如几个人要做项目的话，学会git共享代码，也会省事儿很多！学会用Markdown来编写文档，其实是强调了一种规范意识！ 有的人也许会说，我以后要当公务员，跟程序员没半毛钱关系。 这句话是极其愚昧的，或者说这个同学没有领会到娄老师教学的精髓，娄老师一直强调的是什么，不是要我们学多少知识，因为知识是学不完的，也是会忘记的，娄老师要的是我们培养一种学习方法，培养一种学习习惯，培养一种思维方式，这才是会伴随我们一生的财富~

学习进度条

	代码行数（新增/累积）	博客量（新增/累积）	学习时间（新增/累积）	重要成长
目标	5000行	30篇	400小时
第一周	0/0	1/2	20/20
第二周	58/58	1/3	20/40
第三周	150/208	1/4	22/62
第五周	150/358	1/5	21/83
第六周	136/494	1/6	25/108
第七周	115/609	2/8	24/132
第八周	0/609	2/10	22/154
第九周	109/718	3/13	20/174
第十周	472/1190	1/14	21/195
第十一周	1883/3073	3/17	21/216
第十二周	0/3073	2/19	20/236
第十三周	1023/4096	1/20	21/257