信息安全系统设计基础第十三周学习总结

时间统计

预计时间（10小时）

课本阅读 6小时
整理笔记 3小时

实际时间(12小时)

课本阅读 7小时
整理笔记 5小时

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

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。

12.1.2 关于进程的优劣

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两一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

1、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。 
2、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。 
3、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。 
4、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。

12.2.1 基于I/O多路复用的并发时间驱动服务器

1、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。

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 
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

1、线程：运行子啊进程上下文中的逻辑流。 
2、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

1、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 
2、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。

3、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。

12.3.2 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。

12.3.3 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。

12.3.4 终止线程

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。

12.3.5 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。

12.3.6 分离线程

1、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。 
2、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。

12.3.7 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.

12.3.8 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。

12.4 多线程程序中的变量共享

12.4.1 线程存储器模型

1、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。

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。

12.4.3 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。

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。

12.5.1 进度图

1、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。 
2、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。 
3、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。 
4、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 
5、任何安全轨迹线都能正确的更新共享计数器。

12.5.2 信号量

1、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。 
2、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。

12.5.3 使用信号量来实现互斥

1、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。 
2、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

1、信号量的作用：（1）提供互斥（2）调度对共享资源的访问 2、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。 
3、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

12.7.1 线程安全

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。

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 
4、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。

12.7.3 在线程化的程序中使用已存在的库函数

12.7.4 竞争

1、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。 
2、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。

参考资料

1、教材：第十二章 
2、课程资料：https://www.shiyanlou.com/courses/413 实验楼实验 
3、学习指导：http://group.cnblogs.com/topic/73069.html