20201220蔡笃俊《信息安全系统设计与实现》第四章学习笔记

一、任务内容

• 自学教材第4章，提交学习笔记（10分）
• 知识点归纳以及自己最有收获的内容 （3分）
• 问题与解决思路（2分）
• 实践内容与截图，代码链接（3分）
• ...（知识的结构化，知识的完整性等，提交markdown文档，使用openeuler系统等）（2分）

二、知识点归纳以及自己最有收获的内容

（一）知识点归纳

本章论述了并发编程，介绍了并行计算的概念。指出了并行计算的重要性；比较了顺序算法与并行算法，以及并行性与并发性；解释了线程的原理及其相对于进程的优势；介绍了Pthread中的线程操作，包括线程管理函数，互斥量、连接、条件变量和屏障等线程同步工具；解释了死锁问题，并说明了如何防止并发程序中的死锁问题；讨论了信号量，并论证了它们相对于条件变量的优点；还解释了支持Linux中线程的独特方式。

1. 并行计算导论

begin-end代码块中的顺序算法可能包含多个步骤。所有步骤都是通过单个任务依次执行的，每次执行一个步骤。当所有步骤执行完成时，算法结束。相反，右侧为并行算法的描述，它使用cobegin-coend代码块来指定并行算法的独立任务。在cobegin-coend块中.所有任务都是并行执行的，紧接着cobegin-coend代码块的下一个步骤将只在所有这些任务完成之后执行。

---       顺序算法      --------      并行算法       ---
       begin              |         cobegin
         step_1           |           task_1
         step_2           |           task_2
         ...              |           ...
         step_n           |           task_n
       end                |         coend
       //next step        |         //next step
-----------------------------------------------------

通常，并行算法只识别可并行执行的任务，但是它没有规定如何将任务映射到处理组件。在理想情况下，并行算法中的所有任务都应该同时实时执行。然而，真正的并行执行只能在有多个处理组件的系统中实现，比如多处理器或多核系统。在单 CPU 系统中—次只能执行一个任务。在这种情况下，不同的任务只能并发执行，即在逻辑上并行执行。在单CPU 系统中，并发性是通过多任务处理来实现的。

2. 线程

*线程原理：

线程是某进程同一地址空间上的独立执行单元。创建某个进程就是在一个唯一地址空间创建一个线程。当某进程开始时，就会执行该进程的主线程。如果只有一个主线程，那么进程和线程实 际上并没有区别。但是，主线程可能会创建其他线程。每个线程又可以创建更多的线程等。某进程的所有线程都在该进程的相同地址空间中执行，但每个线程都是一个独立的执行单元。

*线程优缺：

• 优点：线程创建和切换速度更快。若要在某个进程中创建线程，操作系统不必为新的线程分配内存和创建页表，因为线程与进程共用同一个地址空间。所以，创建线程比创建进程更快。线程的响应速度更快。一个进程只有一个执行路径。当某个进程被挂起时，帮个进程都将停止执行。相反，当某个线程被挂起时，同一进程中的其他线程可以继续执行。线程更适合井行计算。并行计算的目标是使用多个执行路径更快地解决间题。基于分治原则（如二叉树查找和快速排序等）的算法经常表现出高度的并行性，可通过使用并行或并发执行来提高计算速度。
• 缺点：由于地址空间共享，线程需要来自用户的明确同步，并且许多库函数可能对线程不安全。而且在单CPU系统上，使用线程解决间题实际上要比使用顺序程序慢，这是由在运行时创建线程和切换上下文的系统开销造成的。

3. 线程管理函数

1. 创建线程

使用pthread_create()函数创建线程：
int pthread_create (pthread_t *pthread_id, pthread_attr_t *attr, void *(*func)(void *), void *arg);

2. 线程ID

线程ID是一种不透明的数据类型，取决于实现情况。因此，不应该直接比较线程ID。 如果需要，可以使用pthread_equal()函数对它们进行比较：int pthread_equal (pthread_t tl, pthread_t t2);

3. 线程终止

线程函数结束后，线程即终止。或者,线程可以调用函数int pthread_exit (void *status);进行显式终止，其中状态是线程的退出状态。通常，0退出值表示正常终止，非0值表示异常终止。

4. 线程连接

一个线程可以等待另一个线程的终止,通过int pthread_join (pthread_t thread, void **status ptr);终止线程的退出状态以status_ptr返回。

4. 线程同步

1. 互斥量

• 我们可以通过静态方法定义互斥量m，并使用默认属性对其进行初始化。

  • pthread_mutex_t m = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

• 我们也可以通过动态方法：使用pthread_mutex_init()函数，可通过attr参数设置互斥属性。

  • pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *m,pthread_mutexattr_t,*attr);

2. 死锁预防

有多种方法可以解决可能的死锁问题，其中包括死锁预防、死锁规避、死锁检测和恢复等。在实际系统中，唯一可行的方法是死锁预防，试图在设计并行算法时防止死锁的发生。一种简单的死锁预防方法是对互斥量进行排序，并确保每个线程只在一个方向请求互斥量，这样请求序列中就不会有循环。

但是，仅使用单向加锁请求来设计每个并行算法是不可能的。在这种情况下，可以使用条件加锁函数 pthread mutex trylock（来预防死锁。如果互斥量已被加锁，则 trylock（函数会立即返回一个错误。在这种情况下，调用线程可能会释放它已经获取的一些互斥量以便进行退避，从而让其他线程继续执行。我们可以重新设计其中一个线程，利用条件加锁和退避来预防死锁。

3. 信号量

信号量和条件变量之间的主要区别是，前者包含一个计数器，可操作计数器，测试计数器值以做出决策等，所有这些都是临界区的原子操作或基本操作，而后者需要一个特定的互斥量来执行临界区。在 Pthreads 中，互斥量严格用于封锁。而条件变量可用于线程协作。相反，可以把使用初始值1计算信号量当作锁。带有其他初始值的信号量可用于协作。因此，信号量比条件变量更通用、更灵活。

三、实践过程中产生的问题与解决思路

我在尝试用线程快速排序时，遇到了始终不能编译成功的问题，一直出现“undefined reference to ‘pthread_create’”错误，导致无法编译通过。

后来经查询，找到了问题原因：因为pthread不是Linux下的默认的库，也就是在链接的时候，无法找到phread库中函数的入口地址，于是链接会失败。

解决办法：我们在gcc编译的时候，在可执行文件后附加上-lpthread参数即可解决。