20145325张梓靖 《信息安全系统设计基础》第13周学习总结

教材学习

• 客户端——服务器编程模型
  • 每个网络应用都是基于客户端——服务器模型的。一个应用是由一个服务器进程和多个客户端进程组成。服务端管理某种资源，并通过操作这种资源来为它的客户端提供某种服务
  • 模型中的基本操作是事务，事务由四步构成的:
    • 客户端发送请求
    • 服务器处理请求
    • 服务器发送响应
    • 客户端处理响应
  • 客户端和服务器指进程，而不是机器或主机
• 网络
  • 对于主机而言，网络是一种I/O设备,一个插到I/O总线扩展槽的适配器提供了到网络的物理接口。从网络上接收到的数据从适配器经过I/O和存储器总线拷贝到存储器
  • 物理上而言，网络是一个按照地理远近组成别的层次系统。最低层是LAN（局域网），最流行的局域网技术是以太网；集线器不加分辨地将从一个端口上收到的每个位复制到其他所有的端口上；多个不兼容的局域网可以通过路由器连接起来
• 全球IP因特网IP协议提供主机间不可靠通信；UDP稍稍扩展了IP协议，提供进程间不可靠通信；TCP提供进程间可靠的全双工通信。
  • IP地址：一个IP地址是一个32位的无符号整型，网络程序讲IP地址存放在IP地址结构中in_addr；网络字节序（大端字节顺序）；主机字节顺序是小端序。大端序意思是高位数字放在低地址上；主机字节序和网络字节序转换的函数htonl、htons、ntohl、ntohl；IP地址通常以点十进制的形式表示；实现IP地址和点十进制字符串之间的转换inet_aton、inet_ntoa
  • 因特网域名：因特网定义了域名集合和IP地址之间的映射，这个映射通过DNS来维护，DNS数据库有上百万的主机条目结构组成hostent；因特网通过以下两个函数从DNS数据库中检索任意主机条目gethostbyname、gethostbyaddr
• 套接字
  • 套接字结构地址：sockaddr、sockaddr_in
  • 相关函数:客户端和服务器端都是用的函数,socket函数创建一个套接字描述符;客户端函数，connect函数;把以上两个函数封装为如下open_clientfd函数。服务器端：bind、listen、accept函数,把bind和listen封装成一个函数，即open_listenfd函数
• web服务器
  • 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HTTP（超文本传输协议）。web服务和常规的文件检索服务（例如FTP）的区别在于，web内容可以用HTML（超文本标记语言）语言编写。
  • web内容:以两种不同的方式向客户端提供内容
    • 取一个磁盘文件，并将它的内容返回给客户端。静态内容，静态服务
    • 运行一个可执行文件，并将它的输出返回给客户端。动态内容，动态服务
  • HTTP事务:请求、响应
• 并发现在操作系统提供了三种基本的构造并发程序的方法:
  • 进程。每个逻辑控制流都是一个进程，由内核来调度和维护
  • I/O多路复用
  • 线程

• 基于进程的并发编程 服务器派生子进程来服务客户端：在接受连接请求之后，服务器派生出一个子进程，这个子进程获得服务器描述表完整的拷贝。子进程关闭它的拷贝中监听描述符listenfd，父进程关闭它的已连接描述符connfd的拷贝，因为不需要这些描述符了。进程能够共享文件表，但不共享用户地址空间。

• 基于I/O多路复用的并发编程 服务器必须响应两个互相独立的I/O事件：1）网络客户端发起的连接请求 2）用户在键盘上键入的命令 ，解决的办法是I/O多路复用技术：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。

• 基于I/O多路复用的并发事件驱动服务器I/O多路复用可以用做并发事件驱动程序的基础，在事件驱动程序中，流是因为某种事件而前进的，一般概念是把逻辑流模型化为状态机。一个状态机就是一组状态、输入事件和转移。

• 基于线程的并发编程
  • 线程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。
  • 线程执行模型。多线程的执行模型在某些方面和多进程的执行模型相似。每个进程开始生命周期时都是单一线程，这个线程称为主线程。在某一时刻，主线程创建一个对等线程，从在此刻开始，两个线程就并发地运行。
  • Posix线程
• Posix线程
  • 创建线程:pthread_create
  • 获取自身ID:pthread_self
  • 终止线程:
    • 当顶层的线程例程返回时，线程会隐式终止
    • 线程调用pthread_exit函数，线程会显示终止；如果主线程调用pthread_exit，它会等到所有其他对等线程终止，然后再终止主线程和整个线程，返回值为thread_return
    • 某个对等线程调用exit函数，则函数终止进程和所有与该进程相关的线程
    • 另一个对等线程调用以当前ID为参数的函数ptherad_cancel来终止当前线程
  • 回收已终止线程的资源:pthread_join函数会终止，直到线程tid终止。和wait不同，该函数只能回收指定id的线程，不能回收任意线
  • 分离线程：pthread_detach;一个可结合的线程能够被其他线程回收其资源和杀死，在被其他线程回收之前，它的存储其资源是没有被释放的；相反，一个分离的线程是不能被其他线程回收或杀死的。它的存储器资源是在它终止时系统自动释放的。默认情况下，线程被创建成可结合的。但现实程序中，有很好的理由要使用分离线程。
  • 初始化线程：pthread_once,该函数用来初始化多个线程共享的全局变量。

• 多线程程序中的共享变量 每个线程都有它自己独自的线程上下文，包括线程ID、栈、栈指针、程序计数器、条件码和通用目的寄存器值。每个线程和其他线程一起共享进程上下文的剩余部分。寄存器是从不共享的，而虚拟存储器总是共享的。线程化的c程序中变量根据它们的存储器类型被映射到虚拟存储器：全局变量，本地自动变量（不共享），本地静态变量。

• 信号量 是用信号量解决同步问题，信号量s是具有非负整数值的全局变量，有两种特殊的操作来处理（P和V）：
  • P(s)：如果s非零，那么P将s减1，并且立即返回。如果s为0，那么就挂起这个线程，直到s变为非零
  • V(s)：V操作将s加1
• 共享资源 利用信号量调度共享资源：在这种场景中，一个线程用信号量操作来通知另一个线程，程序状态中的某个条件已经为真了:
  • 生产者——消费者问题
  • 读者——写者问题

代码托管

代码链接

学习进度条

参考资料

• 《深入理解计算机系统V2》学习指导