5233杨光--第十三周学习总结

阅读量：5102 次

发布时间：2019-06-13

本文共 6516 字，大约阅读时间需要 21 分钟。

第十二章并发编程

程序级并发——进程

函数级并发——线程

***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

第一节基于进程的并发编程

***构造并发程序最简单的方法——用进程

常用函数如下：

fork

exec

waitpid

***构造并发服务器

在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客户端提供服务。

需要注意的事情：

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，这个在以前的学习过程中提到过

***关于独立地址空间

1.优点：防止虚拟存储器被错误覆盖

2.缺点：开销高，共享状态信息才需要IPC机制

第二节基于I/O多路复用的并发编程

就是使用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。

select函数处理类型为fd_set的集合，即描述符集合，并在逻辑上描述为一个大小为n的位向量，每一位b[k]对应描述符k，但当且仅当b[k]=1，描述符k才表明是描述符集合的一个元素。

***描述符能做的三件事：

分配他们

将一个此种类型的变量赋值给另一个变量

用FD_ZERO、FD_SET、FD_CLR和FD_ISSET宏指令来修改和检查它们

***什么时候可以读？

当且仅当一个从该描述符读取一个字节的请求不会阻塞时

注意：

每次调用select函数时都需要更新读集合

一、基于I/O多路复用的并发事件驱动服务器

事件驱动程序：将逻辑流模型化为状态机。

***状态机：

状态

输入事件

转移

对于状态机的理解，参考EDA课程中学习的状态转换图的画法和状态机。

整体的流程是：

select函数检测到输入事件

add_client函数创建新状态机

check_clients函数执行状态转移（在课本的例题中是回送输入行），并且完成时删除该状态机。

几个需要注意的函数：

init_pool：初始化客户端池

add_client：添加一个新的客户端到活动客户端池中

check_clients：回送来自每个准备好的已连接描述符的一个文本行

二、I/O多路复用技术的优劣

1.优点

相较基于进程的设计，给了程序员更多的对程序程序的控制

运行在单一进程上下文中，所以每个逻辑流都可以访问该进程的全部地址空间，共享数据容易实现

可以使用GDB调试

高效

2.缺点

编码复杂

不能充分利用多核处理器

第三节基于线程的并发编程

这种模式混合了以上两种方法

线程：就是运行在进程上下文中的逻辑流。

每个线程都有它自己的线程上下文：

一个唯一的整数线程ID——TID

栈指针

程序计数器

通用目的寄存器

条件码

一、线程执行模型

1.主线程

在每个进程开始生命周期时都是单一线程——主线程，与其他进程的区别仅有：它总是进程中第一个运行的线程。

2.对等线程

某时刻主线程创建，之后两个线程并发运行。

每个对等线程都能读写相同的共享数据。

3.主线程切换到对等线程的原因：

主线程执行一个慢速系统调用，如read或sleep

被系统的间隔计时器中断

切换方式是上下文切换

对等线程执行一段时间后会控制传递回主线程，以此类推

4.线程和进程的区别

线程的上下文切换比进程快得多

组织形式：
- 进程：严格的父子层次
- 线程：一个进程相关线程组成对等（线程）池，和其他进程的线程独立开来。一个线程可以杀死它的任意对等线程，或者等待他的任意对等线程终止。

二、Posix线程

Posix线程是C程序中处理线程的一个标准接口。基本用法是：

线程的代码和本地数据被封装在一个线程例程中

每个线程例程都以一个通用指针为输入，并返回一个通用指针。

这里需要提到一个万能函数的概念。

万能函数：

void func(void parameter)
typedef void (uf)(void para)

即，输入的是指针，指向真正想要传到函数里的数据，如果只有一个就直接让指针指向这个数据，如果是很多就将它们放到一个结构体中，让指针指向这个结构体。后面这个方法就是万能函数的使用思想。

线程例程也是这样的。

三、创建线程

1.创建线程：pthread_create函数

#include 
    
     typedef void *(func)(void *); int pthread_create(pthread_t *tid, pthread_attr_t *attr, func *f, void *arg); 成功返回0，出错返回非0

创建一个新的线程，带着一个输入变量arg，在新线程的上下文运行线程例程f。

attr默认为NULL

参数tid中包含新创建线程的ID

2.查看线程ID——pthread_self函数

#include 
    
     pthread_t pthread_self(void); 返回调用者的线程ID（TID）

四、终止线程

1.终止线程的几个方式：

隐式终止：顶层的线程例程返回

显示终止：调用pthread_exit函数
*如果主线程调用，会先等待所有其他对等线程终止，再终止主线程和整个进程，返回值为pthread_return

某个对等线程调用Unix的exit函数，会终止进程与其相关线程

另一个对等线程通过以当前线程ID作为参数调用pthread_cancle来终止当前线程

2.pthread_exit函数

#include 
    
     void pthread_exit(void *thread_return); 若成功返回0，出错为非0

3.pthread_cancle函数

#include 
    
     void pthread_cancle(pthread_t tid); 若成功返回0，出错为非0

五、回收已终止线程的资源

用pthread_join函数：

#include 
    
     int pthread_join(pthread_t tid,void **thrad_return);

这个函数会阻塞，知道线程tid终止，将线程例程返回的(void*)指针赋值为thread_return指向的位置，然后回收已终止线程占用的所有存储器资源

六、分离线程

在任何一个时间点上，线程是可结合的，或是分离的。

1.可结合的线程

能够被其他线程收回其资源和杀死

被收回钱，它的存储器资源没有被释放

每个可结合线程要么被其他线程显式的收回，要么通过调用pthread_detach函数被分离

2.分离的线程

不能被其他线程回收或杀死

存储器资源在它终止时由系统自动释放

3.pthread_detach函数

#include 
    
     void pthread_detach(pthread_t tid); 若成功返回0，出错为非0

这个函数可以分离可结合线程tid。

线程能够通过以pthread_self()为参数的pthread_detach调用来分离他们自己。

每个对等线程都应该在他开始处理请求之前分离他自身，以使得系统能在它终止后回收它的存储器资源。

七、初始化线程：pthread_once函数

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

八、基于线程的并发服务器中的注意事项

1.调用pthread_create时，如何将已连接描述符传递给对等进程？

传递指针。

2.竞争问题？

见第七节。

3.避免存储器泄露？

必须分离每个线程，使它终止时它的存储器资源能被收回。

第四节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

需要注意的有：

寄存器从不共享，虚拟存储器总是共享的。

二、将变量映射到存储器

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。

第五节用信号量同步线程

一般而言，没有办法预测操作系统是否将为你的线程选择一个正确的顺序。

所以——进度图

一、进度图

进度图是将n个并发线程的执行模型化为一条n维笛卡尔空间中的轨迹线，原点对应于没有任何线程完成一条指令的初始状态。

当n=2时，状态比较简单，是比较熟悉的二维坐标图，横纵坐标各代表一个线程，而转换被表示为有向边

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。

线程循环代码的分解：

H：在循环头部的指令块

L：加载共享变量cnt到线程i中寄存器%eax的指令。

U：更新（增加）%eax的指令

S：将%eax的更新值存回到共享变量cnt的指令

T：循环尾部的指令块

几个概念

临界区：对于线程i，操作共享变量cnt内容的指令L,U,S构成了一个关于共享变量cnt的临界区。

不安全区：两个临界区的交集形成的状态

安全轨迹线：绕开不安全区的轨迹线

具体相关在操作系统课程中讲的更为详细，比如：

临界区使用原则（互斥条件）

有空让进：如果临界区空闲，则只要有进程申请就立即让其进入；

无空等待：每次只允许一个进程处于临界区；

多中择一：当没有进程在临界区，而同时有多个进程要求进入临界区，只能让其中之一进入临界区，其他进程必须等待；

让权等待：进入临界区的进程，不能在临界区内长时间阻塞等待某事件，使其它进程在临界区外无限期等待；
不能限制进程的并发数量和执行进度。

二、信号量

信号量实现互斥的基本原理

两个或多个进程通过传递信号进行合作，可以迫使进程在某个位置暂时停止执行（阻塞等待），直到它收到一个可以“向前推进”的信号（被唤醒）；

将实现信号灯作用的变量称为信号量，常定义为记录型变量s，其一个域为整型，另一个域为队列，其元素为等待该信号量的阻塞进程(FIFO)。

信号量定义：

type semaphore=record
count: integer;
queue: list of process
end;
var s:semaphore;

定义对信号量的两个原子操作——P和V

P（wait）

wait(s)
s.count :=s.count-1;
if s.count<0 then
begin
进程阻塞；
进程进入s.queue队列；
end;

V（signal）

signal(s)
s.count :=s.count+1;
if s.count ≤0 then
begin
唤醒队首进程；
将进程从s.queue阻塞队列中移出;
end;

需要注意的是，每个信号量在使用前必须初始化。

三、使用信号量来实现互斥

1.基本思想

将每个共享变量（或者一组相关的共享变量）与一个信号量s（初始为1）联系起来，然后用P和V操作将相应的临界区包围起来。

2.几个概念

二元信号量：用这种方式来保护共享变量的信号量叫做二元信号量，取值总是0或者1.

互斥锁：以提供互斥为目的的二元信号量

加锁：对一个互斥锁执行P操作

解锁；对一个互斥锁执行V操作

计数信号量：被用作一组可用资源的计数器的信号量

禁止区：由于信号量的不变性，没有实际可能的轨迹能够包含禁止区中的状态。

3.wait(s)/signal(s)的应用

进程进入临界区之前，首先执行wait(s)原语，若s.count<0，则进程调用阻塞原语，将自己阻塞，并插入到s.queue队列排队；

注意，阻塞进程不会占用处理机时间，不是“忙等”。直到某个从临界区退出的进程执行signal(s)原语，唤醒它；

一旦其它某个进程执行了signal(s)原语中的s.count+1操作后，发现s.count ≤0，即阻塞队列中还有被阻塞进程，则调用唤醒原语，把s.queue中第一个进程修改为就绪状态，送就绪队列，准备执行临界区代码。

以及

wait操作用于申请资源（或使用权），进程执行wait原语时，可能会阻塞自己；

signal操作用于释放资源（或归还资源使用权），进程执行signal原语时，有责任唤醒一个阻塞进程。

三、利用信号量来调度共享资源

也就是说，信号量有两个作用：

实现互斥

调度共享资源

信号量分为：互斥信号量和资源信号量。

互斥信号量用于申请或释放资源的使用权，常初始化为1；

资源信号量用于申请或归还资源，可以初始化为大于1的正整数，表示系统中某类资源的可用个数。

1.信号量的物理意义

s.count >0表示还可执行wait(s)而不会阻塞的进程数（可用资源数）。每执行一次wait(s)操作，就意味着请求分配一个单位的资源。

当s.count ≤0时，表示已无资源可用，因此请求该资源的进程被阻塞。此时，s.count的绝对值等于该信号量阻塞队列中的等待进程数。执行一次signal操作，就意味着释放一个单位的资源。若s.count<0，表示s.queue队列中还有被阻塞的进程，需要唤醒该队列中的第一个进程，将它转移到就绪队列中。