20145320《信息安全系统设计基础》第十三周学习总结

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一服务器模型的。一个应用是由一个服务器进程和一个或者多个客户端进程组成。服务器管理某种资源，并且通过操作这种资源来为它的客户端提供某种服务。
客户端一服务器模型中的基本操作是事务，由四步组成:

• 当一个客户端需要服务时，它向服务器发送一个请求，发起一个事务。

• 服务器收到请求后，解释它，并以适当的方式操作它的资源。

• 服务器给客户端发送一个响应，并等待下一个请求。

• 客户端收到响应并处理它。

一个客户端-服务器事务：

11.2 网络

• 客户端和服务器通常运行在不同的主机上，并且通过计算机网络的硬件和软件资源来通信。

• 使用一些电缆和叫做网桥 (bridge) 的小盒子，多个以太网段可以连接成较大的局域网，称为桥接以太网 (bridged Ethernet)

桥接以太网：

• 网桥比集线器更充分地利用了电缆带宽。

• 多个不兼容的局域网可以通过叫做路由器 (router)的特殊计算机连接起来，组成一个internet(互联网络)。

• Internet 和 internet 我们总是用小写字母的 internet 描述一般概念， 而用大写字母的Internet 来描述一种具体的实现，也就是所谓的全球 IP 因特网。

11.3 全球 IP 因特网

• 每台因特网主机都运行实现 TCP/IP 协议 (Transmission Control Protocol/Internet Protocol，传输控制协议/互联网络协议)的软件，几乎每个现代计算机系统都支持这个协议。

• 因特网的客户端和服务器混合使用套接字接口函数和 Unix I/O 函数来进行通信。套接字函数典型地是作为会陷入内核的系统调用来实现 的，并调用各种内核模式的 TCP/IP 函数。

11.3.1 IP地址

• 一个 IP 地址就是一个 32 位无符号整数。

• htonl 函数将32 位整数由主机字节顺序转换为网络字节顺序。

• ntohl 函数将 32 位整数从网络宇节顺序转换为主机字节。

• htons和 ntohs 函数为 16 位的整数执行相应的转换。

• IP 地址通常是以一种称为点分十进制表示法来表示的。

• "n" 表示的是网络(network)。"a" 表示应用(application)。而 "to" 表示转换。

11.3.2 因特网域名

• 因特网客户端和服务器互相通信时使用的是 IP 地址。

• 常见的第一层域名包括 com、 edu、 gov、org 和 net。

• 下一层是二级 (second-level) 域名，例如 cmu. edu

• 一旦一个组织得到了一个二级域名，那么它就可以在这个子域中创建任何新的域名了。

• 因特网定义了域名集合和 IP 地址集合之间的映射。

• 因特网应用程序通过调用 gethostbyname 和 gethostbyaddr 函数，从 DNS 数据库中检索任意的主机条目。

11.3.3 因特网连接

• Web 服务器通常使用端口 80，而电子邮件服务器使用端口 25。

11.4 套接字接口

• 套接字接口 (socket interface) 是一组函数，它们和 Unix I/O 函数结合起来，用以创建网络应用。

套接字接口描述：

11.4.2 socket 函数

客户端和服务器使用 socket 函数来创建一个套接字描述符

11.4.3 connect 函数

客户端通过调用 connect 函数来建立和服务器的连接。

11.4.4 open_clientfd 函数

open_clientfd 函数和运行在主机 hostname 上的服务器建立一个连接，并在知名端口 port 上监听连接请求。它返回一个打开的套接宇描述符，该描述符准备好了，可以用 Unix I/O 函数做输入和输出。

11.4.5 bind 函数

bind、 listen 和 accept 被服务器用来和客户端建立连接。

bind 函数告诉内核将 my_addr中的服务器套接字地址和套接字描述符 sockfd 联系起来。参数 addrlen 就是 sizeof(sockaddr_in) 。

11.4.6 listen 函数

客户端是发起连接请求的主动实体。服务器是等待来自客户端的连接请求的被动实体。默认情况下，内核会认为 socket 函数创建的描述符对应于主动套接字 (active socket)，它存在 于一个连接的客户端。

listen 函数将 sockfd 从一个主动套接字转化为一个监听套接字 (listening socket)，该套接字可以接受来自客户端的连接请求。

11.4.7 open_listenfd 函数

socket、 bind 和 listen 函数结合成一个叫做。open_listenfd 的辅助函数

11.4.8 accept 函数

accept 函数来等待来自客户端的连接请求

accept 函数等待来自客户端的连接请求到达侦听描述符 listenfd，然后在 addr 中填写客户端的套接字地址，并返回一个巳连接描述符 (connected descriptor)，这个描述符可被用来利用 Unix I/O 函数与客户端通信。

监听描述符是作为客户端连接请求的一个端点。

11.5 Web 服务器

11.5.1 Web 基础

Web 客户端和服务器之间的交互用的是一个基于文本的应用级协议，叫做 HTTP (Hypertext Transfer Protocol，超文本传输协议). HTTP 是一个简单的协议。一个 Web 客户端(即浏览器) 打开一个到服务器的因特网连接，并且请求某些内容。服务器响应所请求的内容，然后关闭连接。浏览器读取这些内容，并把它显示在屏幕上。

11.5.2 Web 内容

每条由 Web 服务器返回的内容都是和它管理的某个文件相关联的。这些文件中的每一个都有一个唯一的名字，叫做 URL (Universal Resource Locator，通用资源定位符)。

11.5.3 HTTP 事务

因为 HTTP 是基于在因特网连接上传送的文本行的，我们可以使用 Unix 的TELNET程序来和因特网上的任何 Web 服务器执行事务。

• 1.HTTP 请求

  • 一个 HTTP 请求的组成是这样的:一个请求行 (request line) (第 5 行)，后面跟随零个或更多个请求报头 (request header) (第 6 行)，再跟随一个空的文本行来终止报头列表

  • HTTP 支持许多不同的方法，包括 GET、 POST、 OPTIONS、 HEAD、 PUT、 DELETE 和 TRACE。

• 2.HTTP 晌应

  • 一个 HTTP 响应的组成是这样的:一个响应行 (response line) (第 8 行)后面跟随着零个或更多的响应报头 (response header) (第 9 ~ 13 行)， 再跟随一个终止报头的空行(第 14 行)，再跟随一个响应主体 (response body)

第十二章 并发编程

• 三种基本的构造并发程序的方法：

  • 进程

    每个逻辑控制流是一个进程，由内核进行调度，进程有独立的虚拟地址空间

  • I/O多路复用

    逻辑流被模型化为状态机，所有流共享同一个地址空间

  • 线程

    运行在单一进程上下文中的逻辑流，由内核进行调度，共享同一个虚拟地址空间

12.1 基于进程的并发编程

• 基于进程的并发服务器

  1.使用SIGCHLD处理程序来回收僵死子进程的资源。

  2.父进程必须关闭他们各自的connfd拷贝（已连接的描述符），避免存储器泄露。

  3.因为套接字的文件表表项中的引用计数，直到父子进程的connfd都关闭了，到客户端的连接才会终止。

• 注意

  1.父进程需要关闭它的已连接描述符的拷贝（子进程也需要关闭）

  2.必须要包括一个SIGCHLD处理程序来回收僵死子进程的资源

  3.父子进程之间共享文件表，但是不共享用户地址空间。

• 关于独立地址空间

  优点：防止虚拟存储器被错误覆盖

  缺点：开销高，共享状态信息才需要IPC机制

12.2 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，叫做描述符集合，看做一个大小为n位的向量：

bn-1,......,b1,b0

• 对描述符集合的处理方法：

  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他们。

• 基于I/O多路复用的并发事件驱动服务器

  1.I/O多路复用可以用作事件并发驱动程序的基础。

  2.状态机：一组状态、输入事件、输出事件和转移。

  3.自循环：同一输入和输出状态之间的转移。

• I/O多路复用技术的优劣

  • 相比基于进程的设计给了程序员更多的对进程行为的控制，运行在单一进程上下文中，每个逻辑流都能访问全部的地址空间，在流之间共享数据很容易。

  • 编码复杂，随着并发粒度的减小，复杂性还会上升。粒度：每个逻辑流每个时间片执行的指令数量。

12.3 基于线程的并发编程

• 线程执行模型

  • 每个进程开始生命周期时都是单一线程（主线程），在某一时刻创建一个对等线程，从此开始并发地运行，最后，因为主线程执行一个慢速系统调用，或者被中断，控制就会通过上下文切换传递到对等线程。

• Posix线程

  • Posix线程是C语言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，与对等线程安全的共享数据。

  • 线程的代码和本地数据被封装在一个线程例程中，

• 创建线程

线程通过调用pthread_create来创建其他线程。

int pthread_create(pthread_t *tid,pthread_attr_t *attr,func *f,void *arg);
成功则返回0，出错则为非零

当函数返回时，参数tid包含新创建的线程的ID，新线程可以通过调用pthread_self函数来获得自己的线程ID。

pthread_t pthread_self(void);
返回调用者的线程ID。

• 终止线程

一个线程是通过以下方式之一来终止的。

当顶层的线程例程返回时，线程会隐式地终止。
通过调用pthread_exit函数，线程会显式地终止

void pthread_exit(void *thread_return);

• 回收已终止的线程资源

线程通过调用pthread_join函数等待其他线程终止。

int pthread_join(pthread_t tid,void **thread_return);
成功则返回0，出错则为非零

• 分离线程

在任何一个时间点上，线程是可结合或可分离的。一个可结合的线程能够被其他线程收回其资源和杀死，在被回收之前，它的存储器资源是没有被释放的。分离的线程则相反，资源在其终止时自动释放。

int pthread_deacth(pthread_t tid);
成功则返回0，出错则为非零

• 初始化线程

pthread_once允许初始化与线程例程相关的状态。

pthread_once_t once_control=PTHREAD_ONCE_INIT;
int pthread_once(pthread_once_t *once_contro,
void (*init_routine)(void));
总是返回0

12.4 多线程程序中的共享变量

一个变量是共享的，当且仅当多个线程引用这个变量的某个实例。

• 一、线程存储器模型

  1.每个线程都有自己独立的线程上下文，包括一个唯一的整数线程ID，栈、栈指针、程序计数器、通用目的寄存器和条件码。

  2.寄存器是从不共享的,而虚拟存储器总是共享的。

  3.各自独立的线程栈被保存在虚拟地址空间的栈区域中，并且通常是被相应的线程独立地访问的。

• 二、将变量映射到存储器

  1.全局变量：定义在函数之外的变量

  2.本地自动变量：定义在函数内部但是没有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。

• 三、共享变量

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。

12.5用信号量同步线程

• 转换规则：

  • 合法的转换是向右或者向上，即某一个线程中的一条指令完成
  • 两条指令不能在同一时刻完成，即不允许出现对角线
  • 程序不能反向运行，即不能出现向下或向左

而一个程序的执行历史被模型化为状态空间中的一条轨迹线。

• 信号量

  1.P(s)：如果s是非零的，那么P将s减一，并且立即返回。如果s为零，那么就挂起这个线程，直到s变为非零。

  2.V(s)：将s加一，如果有任何线程阻塞在P操作等待s变为非零，那么V操作会重启线程中的一个，然后该线程将s减一，完成他的P操作。
  信号量不变性：一个正确初始化了的信号量有一个负值。

• 信号量操作函数：

int sem_init(sem_t *sem,0,unsigned int value);//将信号量初始化为value
int sem_wait(sem_t *s);//P(s)
int sem_post(sem_t *s);//V(s)

• 使用信号量来实现互斥

  • 二元信号量（互斥锁）：将每个共享变量与一个信号量s联系起来，然后用P(s)（加锁）和V(s)（解锁）操作将相应的临界区包围起来。

  • 禁止区：s<0，因为信号量的不变性，没有实际可行的轨迹线能够直接接触不安全区的部分

12.6 使用线程来提高并行性

并行程序的加速比通常定义为：
Sp=T1/Tp

其中，p为处理器核的数量，T为在p个核上的运行时间

12.7 其他并发问题

• 线程安全性

一个线程是安全的，当且仅当被多个并发线程反复的调用时，它会一直产生正确的结果。

四个不相交的线程不安全函数类以及应对措施：

不保护共享变量的函数——用P和V这样的同步操作保护共享变量

保持跨越多个调用的状态的函数——重写，不用任何static数据。

返回指向静态变量的指针的函数——①重写；②使用加锁-拷贝技术。

调用线程不安全函数的函数——参考之前三种

• 可重入性

当它们被多个线程调用时，不会引用任何共享数据。

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。

三、在线程化的程序中使用已存在的库函数
一句话，就是使用线程不安全函数的可重入版本，名字以_r为后缀结尾。

• 竞争

  • 1.竞争发生的原因：
    一个程序的正确性依赖于一个线程要在另一个线程到达y点之前到达它的控制流中的x点。也就是说，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。
  • 2.消除方法：
    动态的为每个整数ID分配一个独立的块，并且传递给线程例程一个指向这个块的指针

• 死锁：

1.定义

一组线程被阻塞了，等待一个永远也不会为真的条件。

2.解决死锁的方法
a.不让死锁发生：

- 静态策略：设计合适的资源分配算法，不让死锁发生---死锁预防；
- 动态策略：进程在申请资源时，系统审查是否会产生死锁，若会产生死锁则不分配---死锁避免。

b.让死锁发生：

进程申请资源时不进行限制，系统定期或者不定期检测是否有死锁发生，当检测到时解决死锁----死锁检测与解除。

代码运行

• hello_multi.c

先打印world换行打印hello，间隔1秒再打印相同内容，一共打印5次，最后输出t1,t2 finished

• hello_multi1.c

• hello_single.c

打印一个hello，之后每间隔1秒打印一 个hello，共5个；然后打印一个world并换行，之后每间隔1秒打印一个world,共5个

• incprint.c

在屏幕上换行输出count=1,2,3,4,5，间隔1秒

• twordcount1.c

统计两个file的words数

• twordcount2.c

引入pthread_mutex_t，统计两个file的words数

• twordcount3.c

先统计两个file各自的words数，再统计两个file的总words数

• twordcount4.c

先输出两个file各自的信息和words数，再统计两个file的总words数

• condvar.c

消费者等待生产者产出产品后才打印，否则消费者阻塞等待生产者生产。

• count.c

创建两个线程共享同一变量，都实现加一操作

• countwithmutex.c

引入互斥锁（Mutex）解决访问冲突的问题

• createthread.c

打印进程和线程ID

• share.c

获得线程的终止状态

• threadexit.c

退出并输出线程的状态