《信息安全与设计》第四章学习笔记
第四章 并发编程
并行计算导论
- 顺序算法与并行算法
- 顺序算法:所有步骤通过单个任务依次执行,每次执行一个步骤,当所有步骤执行完成时,算法结束。
- 并行算法:cobegin-coend代码块来指定独立任务,所有任务都是并行执行的,紧接着代码块的下一个步骤将只在所有这些任务完成之后执行。
- 并行性与并发性
- 真正的并行执行只能在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,并发性是通过多任务处理实现的。
线程
- 原理
- 一个操作系统(OS)包含许多并发进程。
- 线程的优点
- 线程创建和切换速度更快
- 线程的响应速度更快
- 线程更适合并行运算
- 线程的缺点
- 线程需要来自用户的明确同步
- 许多库函数可能对线程不安全
- 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
线程操作
- 线程的执行轨迹与进程类似,线程可在内核模式或用户模式下执行。
- 在用户模式下,线程在进程的相同地址空间中执行,但每个线程都有自己的执行堆栈。
线程管理函数
-
创建线程
() int pthread_create (pthread_t *pthread_id,pthread_attr_t *attr, void * (*func) (void *), void *arg); (
)
* 线程IDint pthread_equal(pthread_t t1,pthread_t t2);
如果是不同的线程,则返回0,否则返回非0
* 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 pthraad_exit (void *status)
进行显式终止,其中状态是线程的退出状态。
* 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。
线程同步
* 互斥量
在 Pthread中,锁被称为互斥量,意思是相互排斥。
* 静态方法:`pthreaa—mutex_t m = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER `,定义互斥量 m, 并使用默认属性对其进行初始化。
* 动态方法,使用 pthread_ mutex _init() 函数
* 线程通过互斥量来保护共享数据对象
* 死锁预防
* 互斥量使用封锁协议。如果某线程不能获取互斥量,就会被阻塞,等待互斥量解锁后再继续。在任何封锁协议中,误用加锁可能会产生一些问题。最常见和突出的问题是死锁。死锁是一种状态,在这种状态下,许多执行实体相互等待,因此都无法继续下去。
* 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。
* 条件变量
* 作为锁,互斥量仅用于确保线程只能互斥地访问临界区中的共享数据对象。条件变量提供了一种线程协作的方法。条件变量总是与互斥量一起使用。在Pthread中,使用类型pthread_cond_t来声明条件变量,而且必须在使用前进行初始化。
* 静态方法: `pthread_cond_t con= PTHREAD_COND_INITIALIZER; ` 定义一个条件变屾con,并使用默认属性对其进行初始化。
* 动态方法:使用pthread_cond_init()函数,可通过attr参数设置条件变量。为简便起见,我们总是使用NULLattr参数作为默认属性。
* 信号量
* 信号量是进程同步的一般机制。
* 信号量是一种数据结构:
struct sem{
int value;
struct process *queue
}s;
- 屏障
- 线程连接操作允许某线程(通常是主线程)等待其他线程终止。
- 在pthread中可以采用的机制是屏障以及一系列屏障函数。
苏格拉底挑战
- 线程:
- 线程同步
遇到的困难与解决
- 问题:顺序算法与并行算法之间的区别与联系是什么,在编程中有什么用
- GPT的回答:
实践
- 生产者-消费者问题