《信息安全与设计》第四章学习笔记

第4章 并发编程

知识点归纳

并行性和并发性
1.真正的并行执行只能在多个处理组件的系统中实现，比如多处理器或多核系统。
2.在单CPU系统中，并发性是通过多任务处理实现的。

线程
1.线程的原理
（1）在内核模式下，各进程在唯一地址空间上执行，与其他进程是分开的；
（2）每个进程都是一个独立单元，只有一个执行路径;
（3）线程是某进程同一地址空间上的独立执行单元,如果只有一个主线程，那么进程和线程并没有什么本质区别。
2.线程的优点
（1）线程创建和切换速度更快。
（2）线程的响应速度更快。
（3）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。
（3）在单CPU系统上，使用线程解决间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。
4.线程操作
（1）线程可在内核模式或用户模式下执行。
（2）在用户模式下，线程在进程的相同地址空间中执行，但每个线程都有自己的执行堆栈。
（3）线程是独立的执行单元，可根据操作系统内核的调度策略，对内核进行系统调用，变为桂起激活以继续执行等。
（4）为了利用线程的共享地址空间，操作系统内核的调度策略可能会优先选择同一进程中的线程，而不是不同进程中的线程。
（5）线程管理函数
A.Pthread库提供了用于线程管理的以下API

pthread_create(thread, attr, function, arg): create thread
pthread_exit(status）：terminate thread
pthread_cancel(thread) : cancel thread
pthread_attr_init(attr) : initialize thread attributes
pthread_attr_destroy(attr): destroy thread attribute

B.创建线程
使用pthread_create()函数创建线程。

int pthread_create (pthread_t *pthread_id,pthread_attr_t *attr,
void * (*func) (void *), void *arg);

其中，attr最复杂，其使用步骤为
a.定义一个pthread属性变址pt:hread_attr_tattr;
b.用pthread_attr_init(&attr)初始化屈性变掀;
c.设置属性变垃并在pthread_create()调用中使用;
d.必要时，通过pthread_attr_destroy(&attr)释放attr资源.
C.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 pthraad_exit {void *status)进行显式终止，其中状态是线程的退出状态。
D.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);
终止线程的退出状态以status_ptr返回。

线程同步
当多个线程试图修改同一共享变量或数据结构时，如果修改结果取决于线程的执行顺序，则称之为竞态条件。

1.互斥量
（1）在 Pthread中，锁被称为互斥量，意思是相互排斥。

（2）互斥变呈是用 ptbread_mutex_t类型声明的在使，用之前必须对它们进行初始化。有两种方法可以初始化互斥址：
A.静态方法:pthreaa—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。
B.动态方法，使用 pthread_ mutex _init() 函数

（3）线程通过互斥量来保护共享数据对象

2.死锁预防
死锁是一种状态，在这种状态下，许多执行实体相互等待，因此都无法继续下去。
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。

3.条件变量
条件变量提供了一种线程协作的方法。
在Pthread中，使用类型pthread_cond_t来声明条件变量，而且必须在使用前进行初始化。
与互斥变量一样，条件变量也可以通过两种方法进行初始化。
A.静态方法:pthread_cond_t con= PTHREAD_COND_INITIALIZER;定义一个条件变屾con,并使用默认属性对其进行初始化。
B.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NULLattr参数作为默认属性。

4.信号量
信号量是进程同步的一般机制。
信号量是一种数据结构:

struct sem{
  int value;
  struct process *queue
}s;

问题与解决

pthread_cancel()不能杀死线程

  #include <stdio.h>
  #include <stdlib.h>
  #include <unistd.h>
  #include <pthread.h>
  #include <string.h>
   
  void *func(void *arg){
      while(1);
      return NULL;
  }
  int main(){
      printf("main:pid=%d,tid=%lu\n",getpid(),pthread_self());
  
      pthread_t tid;
      int ret = pthread_create(&tid,NULL,func,NULL);
      if(ret != 0){
          fprintf(stderr,"pthread_create error:%s\n",strerror(ret));
          return 1;
      }
  
      ret = pthread_cancel(tid);
      if(ret != 0){
          fprintf(stderr,"pthread_cancel error:%s\n",strerror(ret));
          return 2;
      }
  
      pthread_exit((void*)0);
  
      return 0;
  }

原因：
使用pthread_cancel()终止线程，需要线程中存在取消点。
需要线程中有陷入内核的操作。
如果想要用pthread_cancel()终止一个没有陷入内核操作的线程，就需要手动添加取消点
在while循环中加入，pthread_testcancel()即可用pthread_cancel()杀死该线程，即循环改为：

 while(1) pthread_testcancel();
 return NULL;

实践

生产者-消费者问题

int data;//number of full buffers
pthread_mutex_t mutex;//mutex lock
pthread_cond_t empty,full;//condition variables
int init(){
	head = tail = data = 0;
	pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
	pthread_cond_init(&full,NULL);
	pthread_cond_init(&empty,NULL);
}
void *producer (){
	int i;
	pthread_t me = pthread_self() ;
	for (i=0; i<N; i++){ //try to put N items into buf[ ]
		pthread_mutex_lock(&mutex);//lock mutex
		if(data == NBUF) {
			printf("producer %lu: all bufs FULL: wait\n",me);
			pthread_cond_wait(&empty, &mutex);//wait
		}
		buf[head++] = i+1;//item = 1,2?.，N
		head %=NBUF;//circular bufs
		data++;//inc data by 1
		printf("producer %lu: data=%d value=%d\n",me,data,i+1);
		pthread_mutex_unlock(&mutex);//unlock mutex
		pthread_cond_signal(&full);//unblock a consumer?if any
	}
	printf("producer %lu: exit \n",me);
}
void *consumer(){
	int i, c;
	pthread_t me = pthread_self();
	for(i=0; i<N; i++){
		pthread_mutex_lock(&mutex);//lock mutex
		if(data == 0){
			printf ("consumer %lu: all bufs EMPTY : wait\n",me);
			pthread_cond_wait(&full,&mutex);//wait
		}
    	c=buf[tail++];//get an item
		tail%=NBUF;
		data--;//dec data by 1
		printf("consumer %lu: value=%d\n",me,c);
		pthread_mutex_unlock(&mutex);//unlock mutex
		pthread_cond_signal(&empty);//unblock a producer，if any
	}
	printf("consumer %lu: exit\n",me);
}
int main(){
	pthread_t pro, con;
	init();
	printf("main: create producer and consumer threads \n");
	pthread_create(&pro,NULL, producer,NULL);
	pthread_create (&con,NULL,consumer,NULL);
	printf("main: join with threads\n");
	pthread_join(pro,NULL);
	pthread_join(con,NULL);
	printf("main: exit\n");
}