2021-2022-1-diocs-并发编程第八周学习笔记

20191205 2021-2022-1-diocs-并发编程（第八周学习笔记）

一、任务详情

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、教材内容归纳整理

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;通过示例介绍了 Pthread 中的线程操作，句括线程管理函数。互斥量、连接、条件变量和屏魔等线

程同步工具;通过具体示例演示了如何使用线程进行并发编程，包括矩阵计算、快速排序和用并发线程求解线性方程组等方法;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。编程项目是为了实现用户级线程。它提供了一个基础系统来帮助读者开始工作。这个基础系统支持并发任务的动态创建、执行和终止，相当干在某个进程的同一地址空间中执行线程。读者可通过该项目实现线程同步的线程连接、互斥量和信号量，并演示它们在并发程序中的用法。该编程项目会让读者更加深入地了解多任务处理、线程同步和并发编程的原理及方法。

思维导图

1.并行计算导论

（1）顺序算法与并行算法

（2）并行性与并发性

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，一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，该内容已在第3章中讨论过。在本章的最后，我们将在一个编程项目中再次讲解和示范多任务处理的原理和方法。

2.线程

（1）线程的原理

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主线程。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。

（2）线程的优点

线程创建和切换速度更快；
线程的相应速度更快；
线程更适合并行计算；

（3）线程的缺点

（1）由于地址空间共享，线程需要来自用户的明确同步。

（2）许多库函数可能对线程不安全，例如传统 strtok（）函数将一个字符串分成一连串令牌。通常，任何使用全局变量或依赖于静态内存内容的函数，线程都不安全。为了使库函数适应线程环境，还需要做大量的工作。

（3）在单 CPU系统上，使用线程解决问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 prhread_create (pthread_t *pthread_id,pthread_attr_t *attr,

Void *(*func)(void *), void *arg);

如果成功则返回0，如果失败则返回错误代码。

其中，attr参数最复杂。下面给出了 attr参数的使用步骤。

1.定义一个pthread属性变量 pthread_attr_t attr。

2.用pthread_attr_init（&attr）初始化属性变量。

3.设置属性变量并在 pthread_create（）调用中使用。

4.必要时，通过 pthread_attr_destroy（&attr）释放 attr资源。

（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 t1, pthread_t t2);

如果是不同的线程，则返回0，否则返回非0。

（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);

进行显示终止，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只表示异常终止。

（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);

终止线程退出状态以status_ptr返回。

4.线程同步

（1）互斥量

1.一种是静态方法：

pthread_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。

2.一种是动态方法：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。在上面的交叉加锁示例中，我们可以重新设计其中一个线程，例如 T1，利用条件加锁和退避来预防死锁。

（3）条件变量

1.静态方法：

pthread_cond_t con = PTHREAD_COND_INITIALIZER;

定义一个条件变量con，并使用默认属性对其进行初始化。

2.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NULL attr参数作为默认属性。

在互斥量的临界区中，线程可通过以下函数使用条件变量来相互协作。

pthread_cond_wait（conditlon，mutex）：该函数会阻塞调用线程，直到发出指定条件的信号。当互斥量被加锁时、应调用该例程。它会在线程等待时自动释放互斥量。互斥量将在接收到信号并唤醒阻塞的线程后自动锁定。

pthread cond signal（condition）;该函数用来发出信号，即唤醒正在等待条件变量的线程或解除阻塞。它应在互斥量被加锁后调用，而且必须解锁互斥量才能完成pthread_cond_wait ()。

pthread cond broadcast（condition）∶该函数会解除被阻塞在条件变量上的所有线程阻塞。所有未阻塞的线程将争用同一个互斥量来访问条件变量。它们的执行顺序取决于线程调度。

（4）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。下面的示例说明了信号量相对于条件变量的优势。

下面显示了使用信号量的生产者-消费者问题的伪代码。

（5）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。在等待的所有线程都终止后，主线程可创建新线程来继续执行并行程序的其余部分。创建新线程需要系统开销。在某些情况下，保持线程活动会更好，但应要求它们在所有线程都达到指定同步点之前不能继续活动。

（6）Linux中的线程

与许多其他操作系统不同，Linux不区分进程和线程。对于Linux 内核，线程只是一个与其他进程共享某些资源的进程。在Linux 中，进程和线程都是由clone（）系统调用创建的，具有以下原型∶

int clone(int(*fn)(void *),void *child_stack,int flags,void *arg)

三、最有收获的内容

生产者—消费者问题

我们将使用线程和条件变量来实现一个简化版的生产者-消费者问题，也称有限缓冲问题。生产者-消费者问题通常将进程定义为执行实体，可看作当前上下文中的线程。下面是该问题的定义。

一系列生产者和消费者进程共享数量有限的缓冲区。每个缓冲区每次有一个特定的项目。最开始，所有缓冲区都是空的。当一个生产者将一个项目放人一个空缓冲区时，该缓冲区就会变满。当一个消费者从一个满的缓冲区中获取一个项目时，该缓冲区就会变空。如果没有空缓冲区，生产者必须等待。同样，如果没有满缓冲区，则消费者必须等待。此外，当等待事件发生时、必须允许等待进程继续。

在示例程序中，假设每个缓冲区都有一个整数值。共享全局变量定义为;

// shared global variables int buf[NBUF];

int head, tail;// number of full buffers

int data;

缓冲区用作一系列循环缓冲区。索引变量 head用于将一个项目放人空缓冲区，tail 则用于从满缓冲区中取出一个项目。变量数据就是满缓冲区的数量。为支持生产者和消费者之间的协作，我们定义了一个互斥量和两个条件变量。

pthread_mutex_t mutex;

pthread_cond_t empty,full;// condition variables

其中，empty 表示所有空缓冲区的条件，full 表示所有满缓冲区的条件。当生产者发现没有空缓冲区时，它会等待empty 条件变量，当消费者使用了一个满缓冲区时，就会发出信号。同样，当消费者发现没有满缓冲区时，它会等待 ful1条件变量。当生产者将一个项放人空缓冲区时，就会发出信号。

该程序从主线程开始，将缓冲区控制变量和条件变量初始化。初始化完成后，它会创建一个生产者线程和一个消费者线程，并等待线程结合。缓冲区大小设置为NBUF=5.如果生产者试图将 N=10个项放入缓冲区，当所有缓冲区已满时，它就要等待。同样.如果消费者试图从缓冲区获取N=10个项，将会导致它在所有缓冲区都空时等待。在这两种情况下，当等待条件得到满足时，另一个线程会通知正在等待的线程。因此，这两个线程通过条件变量相互协作。下面是示例程序 C4.4 的程序代码，实现了一个简版的生产者-消费者问题，即只有一个生产者和一个消费者。

四、问题与解决思路

问题：Linux里进程与线程的区别？

解决思路：

线程是指进程内的一个执行单元,也是进程内的可调度实体.

与进程的区别:

(1)地址空间:进程内的一个执行单元;进程至少有一个线程;它们共享进程的地址空间;而进程有自己独立的地址空间;

(2)资源拥有:进程是资源分配和拥有的单位,同一个进程内的线程共享进程的资源;

(3)线程是处理器调度的基本单位,但进程不是;

(4)二者均可并发执行:

进程和线程都是由操作系统所体会的程序运行的基本单元，系统利用该基本单元实现系统对应用的并发性。进程是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。线程是进程的一个实体，是CPU调度和分派的基本单位，线程自己基本上不拥有系统资源，只拥有一点在运行中必不可少的资源（如程序计数器，一组寄存器和栈），但是它可与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。一个线程可以创建和撤销另一个线程，同一个进程中的多个线程之间可以并发执行。

五、实践内容（截图、代码链接）本次实践是基于OpenEuler系统下实现的

编写一个C语言程序使用信号量实现生产者—消费者问题：

1.目的

（1）实现生产者—消费者问题的模拟，以便更好的理解此经典进程同步问题。生产者－消费者问题是典型的PV操作问题，假设系统中有一个比较大的缓冲池，生产者的任务是只要缓冲池未满就可以将生产出的产品放入其中，而消费者的任务是只要缓冲池未空就可以从缓冲池中拿走产品。缓冲池被占用时，任何进程都不能访问。

（2）每一个生产者都要把自己生产的产品放入缓冲池，每个消费者从缓冲池中取走产品消费。在这种情况下，生产者消费者进程同步，因为只有通过互通消息才知道是否能存入产品或者取走产品。他们之间也存在互斥，即生产者消费者必须互斥访问缓冲池，即不能有两个以上的进程同时进行。

2.原理

在同一个进程地址空间内执行两个线程。生产者线程生产物品，然后将物品放置在一个空缓冲区中供消费者线程消费。消费者线程从缓冲区中获得物品，然后释放缓冲区。当生产者线程生产物品时，如果没有空缓冲区可用，那么生产者线程必须等待消费者线程释放一个空缓冲区。当消费者线程消费物品时，如果没有满的缓冲区，那么消费者线程将被阻挡，直到新的物品被生产出来。

3.流程图（左面是生产者流程图，右面是消费者流程图）