20145308 《信息安全系统设计基础》第13周学习总结

20145308 《信息安全系统设计基础》第13周学习总结

教材学习内容总结

视频学习

• 接口：指明模块要做什么
• 实现：指明模块如何完成接口
• 函数签名：函数名、参数个数、返回值
• 万能函数
• 并发：程序级并发（进程）、函数级并发（线程）

第12章 并发编程

• 构造并发程序的方法
  • 进程：每个逻辑控制流都是一个进程，由内核来调度和维护，有独立的虚拟地址，使用某种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地调度他们自己的逻辑流，共享地址空间
  • 线程：运行在单一进程上下文中的逻辑流，由内核进行调度，共享单一虚拟地址

12.1 基于进程的并发编程

• 构造并发服务器：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用户端提供服务

12.1.1 基于进程的并发服务器

• 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。

12.1.2 关于进程的优劣

• 进程能够共享文件表，但不共享用户地址空间

12.2 基于I/O多路复用的并发编程

• 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

12.2.1 基于I/O多路复用的并发时间驱动服务器

• 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

12.2.2 I/O多路复用技术的优劣

• 优点：给了程序员更多的对程序行为的控制、流之间共享数据容易
• 缺点：编码复杂

12.3 基于线程的并发编程

• 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

12.3.1 线程执行模型

• 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
• 和一个进程相关的线程组成一个对等（线程）池，独立于其他线程创建的线程
• 对等（线程）池党的重要概念：一个线程可以杀死它的任何对等线程，或者等待它的任意对等线程终止
• 每个对等线程都能读写相同的共享数据

12.3.2 Posix线程

• Posix线程（Pthreads）是在C程序中处理线程的一个标准接口
• 允许程序创建、杀死和回收线程，与对等线程安全地共享数据，还可以通知对等线程系统状态的变化

12.3.3 创建线程

• 通过调用pthread_create函数来创建其他线程
• 新线程可以通过pthread_self函数来获得它自己的线程ID

12.3.4 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`exit`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
  

12.3.5 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

12.3.6 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

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

12.3.8 一个基于线程的并发服务器

12.4 多线程程序中的共享变量

12.4.1 线程存储器模型

• 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

12.4.2 将变量映射到存储器

• 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
• 全局变量：定义在函数之外的变量。虚拟存储器的读/写区域只包含每个全局变量的一个实例，任何线程都可以引用
• 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

12.4.3 共享变量

• 共享：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

12.5.1 进度图

• 进度图
• 不安全区：两个临界区的交集形成的状态安全区域

12.5.2 信号量

• 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

12.5.3 使用信号量来实现互斥

• 二元信号量：用P和V操作将相应的临界区包围起来的方式来保护共享变量的信号量
• 互斥锁：以提供互斥为目的的二元信号量

12.5.4 利用信号量来调度共享资源

• 生产者——消费者问题：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
• 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

12.5.5 综合：基于预线程化的并发服务器

• 使用预线程化技术的并发服务器：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

12.6 使用线程提高并行性

12.7 其他并发问题

12.7.1 线程安全

• 四种不安全函数
  • 不保护共享变量的函数
  • 保持跨越多个调用状态的函数
  • 返回指向静态变量的指针的函数
  • 调用线程不安全函数的函数

12.7.2 可重入性

• 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。

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

• 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。

12.7.5 死锁

• 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

第11章 网络编程

11.1 客户端——服务器编程模型

• 每个网络应用都是基于客户端-服务器模型

11.2 网络

• 以太网段：包括一些电缆和集线器
• 桥接以太网：使用一些电缆和网桥，多个以太网连接成的较大局域网
• internet互联网络：多个不兼容的局域网通过路由器连接
• 协议消除了不同网络之间的差异

11.3 全球IP因特网

• 每台因特网主机上都运行实现TCP/IP协议

11.3.1 Ip地址

• 网络字节顺序：大端字节法

11.3.2 因特网域名

• gethostbyname和gethostbyaddr函数，从DNS库中检索任意主机条目

11.3.3 因特网连接

• 因特网客户端和服务器通过在连接上发送和接收字节流来通信

11.4 套接字接口

• 套接字接口:一组函数，与Unix I/O函数结合起来，用以创建网络应用

11.4.1 套接字地址结构

• 从Unix程序的角度来看，套接字就是一个有相应描述符的打开文件

11.4.2 socket函数

• 服务器和客户端使用socket函数创建套接字描述符

11.4.3 connect函数

• 客户端调用connect函数来建立和服务器的连接

11.4.4 open_clientfd函数

11.4.5 bind函数

• 服务器用来和客户端建立连接
• bind函数将my_addr中的服务器套接字地址和套接字描述符sockfd连接起来

11.4.6 listen函数

• 将sockfd从一个主动套接字转化为一个监听套接字

11.4.7 open_listenfd函数

11.4.8 accept函数

• 服务器等待来自客户端的请求

11.4.9 echo客户端和服务器的示例

11.5 web服务器

11.5.1 web基础

• web客户端与服务器交互用基于文本的应用级自协议HTTP

11.5.2 web内容

• 服务静态内容：读取磁盘内容返回客户端
• 服务动态内容：运行可执行文件并输出结果

11.5.3 HTTP事务

• 1.HTTP请求
• 2.HTTP响应

11.5.4 服务动态内容

11.6 综合：TINY Web服务器

本周代码托管截图

https://git.oschina.net/yg1022/CSAPP2E.git

其他

• 本周学习了11、12两章的内容，11章是网络编程的内容，但是和老师课程的内容有一些不一样，学习时主要注意了不同的部分。12章学习了并发编程，主要学习了三种方法，减少程序的运行时间。本周内容还是有些多的，希望自己下周能早点开始完成任务

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	25/30	学习Linux指令
第二周	50/50	1/3	25/55	Linux系统下的开发环境
第三周	20/70	1/4	25/80	信息的表示和处理
第五周	20/90	1/5	30/110	程序的机器级表示
第六周	20/110	1/6	30/140	处理器体系结构
第七周	20/130	1/7	30/170	存储器层次结构
第八周	0/130	2/9	10/180	期中复习
第九周	48/178	2/11	10/190	系统级I/O、错误处理
第十周	539/717	2/13	10/200	系统调用学习
第十一周	429/1146	2/15	10/210	异常控制流
第十二周	20/1166	3/18	10/220	第九、十、十一周代码
第四周	1174/2340	1/19	10/230	网络编程、并发编程