第十二章 并发编程

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：

• 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。

12.1 基于进程的并发编程

• 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。

• 基于进程的并发echo服务器的重点内容

（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。

• 注意：进程的模型：共享文件表，但不是共享用户地址空间。

• 优点：一个进程不可能不小心覆盖两个进程的虚拟存储器。

• 缺点：独立的地址空间使得进程共享状态信息变得更加困难。进程控制和IPC的开销很高。

• Unix IPC是指所有允许进程和同一台主机上其他进程进行通信的技术，包括管道、先进先出（FIFO）、系统V共享存储器，以及系统V信号量。

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。

• 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：

（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

• 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。

12.3 基于线程的并发编程

• 线程：运行子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。

• 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：

（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。

• 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。

• 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。

• 一个线程的终止方式：
  （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。

• 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。

• 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。

• 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.

• 对等线程的赋值语句和主线程的accept语句之间引入了竞争。

12.4 多线程程序中的变量共享

• 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。 2、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。

• 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。

• 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。

12.5 用信号量同步线程

1、共享变量引入了同步错误的可能性。
2、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。

• 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。

• 计数信号量：一个呗用作一组可用资源的计数器的信号量

• 信号量的作用：
  （1）提供互斥（2）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：
  （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。

12.6 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。

12.7 其他并发问题

1、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。
2、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。

• 竞争：当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点时，就会发生竞争。
• 线程化的程序必须对任何可行的轨迹线都正确工作。

12.7.5 死锁

	1、死锁：一组线程被阻塞了，等待一个永远也不会为真的条件。 
	2、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。 
	3、重叠的禁止区域引起了一组称为死锁区域的状态。 
	4、死锁是不可预测的。