《信息安全系统设计基础》第13周学习总结

教材学习内容

并发编程

1、程序级并发——进程

2、函数级并发——线程

三种基本的构造并发程序的方法：

1、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

2、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

3、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

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：fork，exec，waitpid

• 优点：防止虚拟存储器被错误覆盖

• 缺点：开销有时会很高，共享状态信息才需要IPC机制

需要注意的事情：
1、父子进程之间共享文件表，但是不共享用户地址空间

2、必须要包括一个SIGCHLD处理程序来回收僵死子进程的资源

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，即描述符集合。

• 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，描述符k表示准备好可以读了

• 必须在每次调用select时都更新读集合

  基于线程的并发编程

• 线程：就是运行在进程上下文中的逻辑流。

• 线程由内核自动调度。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
- 栈指针
- 程序计数器
- 通用目的寄存器
- 条件码

线程执行模型

一、线程执行模型

1.主线程,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

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。

线程

1、创建线程：pthread_create函数，返回时参数tid包含新创建线程的ID

2、 查看线程ID：pthread_self函数，返回调用者的线程ID（TID）

3、终止线程

1.隐式终止：顶层的线程例程返回
2.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
3.某个对等线程调用Unix的exit函数，会终止进程与其相关线程
4.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

4、 回收已终止线程的资源

• pthread_join函数等待其他线程终止

• 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

5、分离线程

• 任何一个时间点上，线程是可结合的或者是分离的。
• 一个可结合的线程能够被其他线程收回其资源和杀死；一个可分离的线程是不能被其他线程回收或杀死的。它的存储器资源在它终止时有系统自动释放。
• 默认情况下，线程被创建成可结合的，为了避免存储器漏洞，每个可集合的线程都应该要么被其他进程显式的回收，要么通过调用pthread _detach函数被分离。

6、初始化线程

• pthread _once函数允许初始化与线程例程相关的状态。
• once _control变量是一个全局或者静态变量，总是被初始化为PTHREAD _ONCE _INIT

多线程程序中的变量共享

• 线程存储器模型
  每个线程和其他线程一起共享进程上下文的剩余部分。包括整个用户虚拟地址空间，是由只读文本、读/写数据、堆以及所有的共享库代码和数据区域组成的。线程也共享同样的打开文件的集合。
  任何线程都可以访问共享虚拟存储器的任意位置。寄存器是从不共享的，而虚拟存储器总是共享的。

• 将变量映射到存储器

- 全局变量：虚拟存储器的读/写区域只会包含每个全局变量的一个实例。
- 本地自动变量：定义在函数内部但没有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。

用信号量同步线程

• 共享变量引入了同步错误的可能性。
• 线程i的循环代码分解为五部分：

1.Hi：在循环头部的指令块
2.Li：加载共享变量cnt到寄存器%eax的指令，%eax表示线程i中的寄存器%eax的值
3.Ui：更新（增加）%eax的指令
4.Si：将%eaxi的更新值存回到共享变量cnt的指令
5.Ti：循环尾部的指令块。

进度图

• 进度图将指令执行模式化为从一种状态到另一种状态的转换。转换被表示为一条从一点到相邻点的有向边。合法的转换是向右或者向上。
• 临界区：对于线程i，操作共享变量cnt内容的指令构成了一个临界区。
• 互斥的访问：确保每个线程在执行它的临界区中的指令时，拥有对共享变量的互斥的访问。

信号量

• 当有多个线程在等待同一个信号量时，你不能预测V操作要重启哪一个线程。
• 信号量不变性：一个正在运行的程序绝不能进入这样一种状态，也就是一个正确初始化了的信号量有一个负值。

学习进度条

代码托管

代码链接

参考资料

• Linux基础入门
• Linux下C语言开发基础
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