20145234黄斐《信息安全系统设计基础》第十三周学习总结

课程内容总结

并发：逻辑控制流在时间上是重叠的

基于进程的并发编程

例如：在父进程中接受客户端请求，然后创建新的子进程来为每个客户端服务。

• 假设我们有两个客户端和一个服务器，服务器正在监听一个监听表述符上的请求。现在假设服务器接受了客户端1的连接请求。
• 基于进程的并发服务器：
  1. 需要包括一个SIGCHID处理程序，来收回将死进程。
  2. 父子进程必须关闭它们各个的connfd拷贝。
  3. 因套接字的文件表项中的引用计数，直到父子进程的connfd都关闭了，到客户端的连接才会终止。

基于I/O多路复用的并发编程

• 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，也叫做描述符集合，并在逻辑上描述为一个大小为n的位向量：b_n-1,...b_1,b_0*

• 描述符：

  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FD_ZERO、FD_SET、FD_CLR和FD_ISSET宏指令来修改和检查它们

• 基于I/O多路复用的并发事件驱动服务器

  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. 一个基于I/O多路复用的事件驱动服务器是运行在单一进程上下文中的，因此每个逻辑流都能访问该进程的全部地址空间。，使得在流之间共享数据变得容易。

  3. 事件驱动设计常常比基于进程的设计要高效得多，因为它们不需要进程上下文切换来调度新进程。

基于线程的并发进程

• 这是上面两种方法的混合，结合了上面两种方法的特性。

  1. 和进程一样，由内核调度，并内核通过一个整数ID来识别线程。
  2. 同基于I/O多路复用的流一样，多个线程运行在单一进程的上下文中。因此共享这个进程的虚拟地址空间的整个内容：代码啊，数据，堆，共享库和打开文件。
• 线程就是运行在进程上下文中的逻辑流。

• 每个线程都有自己的线程上下文，包括：

  1. 一个唯一的整数线程ID
  2. 栈
  3. 栈指针
  4. 程序计数器
  5. 通用目的寄存器
  6. 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。
• 主线程：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，它是是进程中第一个运行的线程。
• 对等线程：被主线程创建，后与主线程并发运行。
• 对等（线程）池：一个线程可以杀死它的任何对等线程，或等待它的任何对等线程终止。每个对等线程都能读写相同的共享数据。
• Posix线程：线程代码和本地数据都被封装在一个线程例程中。每个线程都以一个通用指针作为输入，并返回一个通用指针。
• 创建线程：线程调用pthread_create函数来创建其他线程。

• 终止线程

  1. 顶层的线程返回，隐式终止。
  2. 调用pthread_exit函数，显示终止。（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，返回thread return）
  3. 某个对等线程调用Unix的exit函数，该函数终止进程以及所有与该进程相关的线程。
  4. 另一个对等线程以当前线程ID作为参数调用pthread_cancle终止当前进程。
• 线程调用pthread_join函数等待其他线程终止。这个函数会阻塞，直到线程tid终止，将线程例程返回的(void*)指针赋值为thread_return指向的位置，然后回收已终止线程占用的所有存储器资源.
• 分离线程:在任何一个时间点上，进程是可结合的或分离的。

• 初始化进程:调用pthread_once来初始化与线程的相关状态；

多线程程序中的共享变量

• 根据存储类型被映射到虚拟存储器。

1. 全局变量。函数以外的变量。运行时，虚拟存储器的读/写区域只包含每个全局变量的 一个实例，任何线程可用。
2. 本地自动变量定义在函数内部没有static属性的变量。运行时，每个线程都含有自己的所有本地自动变量实例
3. 本地静态变量。在函数内部，有static。和全局变量一样，虚拟存储器的读/写区域只包含在程序中声明的本地静态变量的一个实例。

• 共享变量:说一个变量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。

• 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。

  将指令执行模型为一种状态到另一种状态的转换。

  合法转换：向右或向上。

  点（L1，S2）对应线程完成L1，而线程2完成S2状态

• 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，称为P和V：

  1. P(s)：如果s非零，那么P将s减1，并且立即返回。

  2. V(s)：V操作将s加1，并重启一个阻塞的线程

• 使用信号量来实现互斥：将每个共享变量（或者一组相关的共享变量）与一个信号量s（初始为1）联系起来，然后用P（s）和V（s）操作将相应的临界区包围起来。
• 利用信号量来调度共享资源

  1. 生产者-消费者问题：因为插入和取出项目都涉及更新共享变量，所以要保证：对缓冲区的访问是互斥的。

  2. 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。写者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。

• 基于预防线程话的并发服务器

• 使用线程提高并行性：多核处理可以并行。

其他并发问题

• 不安全函数类

  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
  4. 调用线程不安全函数的函数
• 可重入函数：被多个线程调用时，不会引用任何共享数据。（是线程安全函数的一个真子集）

  1. 显式可重入的：所有函数参数都是传值传递，没有指针，并且所有的数据引用都是本地的自动栈变量，没有引用静态或全剧变量。

  2. 隐式可重入的：调用线程小心的传递指向非共享数据的指针。

• 竞争： 程序员假定线程会按照某种特殊的轨迹穿过执行状态空间，忘了一条准则规定：线程化的程序必须对任何可行的轨迹线都正确工作。

• 死锁：一组线程被阻塞了，等待一个永远也不会为真的条件。