2017-2018-1 20155208 《信息安全系统设计基础》第八周学习总结

2017-2018-1 20155208 《信息安全系统设计基础》第八周学习总结

第八周课下测试2（课上没完成的同学必做）

服务器源代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/socket.h>
#include <netinet/in.h>
#include <arpa/inet.h>
#include <sys/signal.h>
#include <sys/wait.h>
#include <errno.h>
#include <time.h>
#define PORT 1234
#define BACKLOG 2
#define MAXDATASIZE 1000
void process_cli(int connectfd,struct sockaddr_in client);
void sig_handler(int s);
int main()
{
    int opt,listenfd,connectfd;
    pid_t pid;
    struct sockaddr_in server;
    struct sockaddr_in client;
    int sin_size;
    struct sigaction act;
    struct sigaction oact;
    act.sa_handler=sig_handler;
    sigemptyset(&act.sa_mask);
    act.sa_flags=0;
    printf("服务器实现者学号：20155208
");
    if(sigaction(SIGCHLD,&act,&oact)<0)
    {
        perror("Sigaction failed!
");
        exit(1);
    }
    if((listenfd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)
    {
        perror("Creating socket failed.
");
        exit(1);
    }
    opt=SO_REUSEADDR;
    setsockopt(listenfd,SOL_SOCKET,SO_REUSEADDR,&opt,sizeof(opt));
    bzero(&server,sizeof(server));
    server.sin_family=AF_INET;
    server.sin_port=htons(PORT);
    server.sin_addr.s_addr=htonl(INADDR_ANY);
    if(bind(listenfd,(struct sockaddr *)&server,sizeof(struct sockaddr))==-1)
    {
        perror("Bind error.
");
        exit(1);
    }
    if(listen(listenfd,BACKLOG)==-1)
    {
        perror("listen() error.
");
        exit(1);
    }
    sin_size=sizeof(struct sockaddr_in);
    while(1)
    {
        if((connectfd=accept(listenfd,(struct sockaddr *)&client,&sin_size))==-1)
        {
            if(errno==EINTR) continue;
            perror("accept() error.
");
            exit(1);
        }
        if((pid=fork())>0)
        {
            close(connectfd);
            continue;
        }
        else if(pid==0)
        {
            close(listenfd);
            process_cli(connectfd,client);
            exit(0);
        }
        else
        {
            printf("fork error.
");
            exit(1);
        }
    }
    close(listenfd);
    return 0;
}
void process_cli(int connectfd,struct sockaddr_in client)
{
    int i,num;
    char recvbuf[MAXDATASIZE];
    char sendbuf[MAXDATASIZE];
    char cli_name[MAXDATASIZE];
    time_t t;
    t=time(NULL);
    printf("客户端IP：%s 
",inet_ntoa(client.sin_addr));
    
    num=recv(connectfd,cli_name,MAXDATASIZE,0);
    if(num==0)
    {
        close(connectfd);
        printf("Client disconnected.
");
        return;
    }
    send(connectfd,(void *)&t,sizeof(time_t),0);
    while(num=recv(connectfd,recvbuf,MAXDATASIZE,0))
    {
        recvbuf[num]='';
        printf("当前时间：%s
",ctime(&t));
        //send(connectfd,(void *)&t,sizeof(time_t),0);
    }
    
    close(connectfd);
}
void sig_handler(int s)
{
    pid_t pid;
    int stat;
    while((pid=waitpid(-1,&stat,WNOHANG))>0)
        printf("子进程 %d 关闭。
",pid);
    return;
}

客户端源代码：

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <string.h>

#include <sys/types.h>

#include <sys/socket.h>

#include <netinet/in.h>

#include <netdb.h>

#include <stdlib.h>

#include <time.h>

#define PORT 1234

#define MAXDATASIZE 1000

void process(FILE *fp,int sockfd);

char *getMessage(char *sendline,int len,FILE *fp);

int main(int argc,char *argv[])

{

    int fd;

    struct hostent *he;

    struct sockaddr_in server;

    if(argc!=2)

    {

        printf("Usage: %s <IP Address>
",argv[0]);

        exit(1);

    }

    if((he=gethostbyname(argv[1]))==NULL)

    {

        printf("gethostbyname error.
");

        exit(1);

    }

    if((fd=socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0))==-1)

    {

        perror("socket() error.
");

        exit(1);

    }

    bzero(&server,sizeof(server));

    server.sin_family=AF_INET;

    server.sin_port=htons(PORT);

    server.sin_addr=*((struct in_addr *)he->h_addr);

    if(connect(fd,(struct sockaddr *)&server,sizeof(struct sockaddr))==-1)

    {

        perror("connect() error.
");

        exit(1);

    }

    process(stdin,fd);

    close(fd);

    return 0;

}

void process(FILE *fp,int sockfd)

{

    char sendbuf[MAXDATASIZE];

    char recvbuf[MAXDATASIZE];

    int num;

    time_t t;

    t=time(NULL);

    printf("用户名：
");

    if(fgets(sendbuf,MAXDATASIZE,fp)==NULL)

    {

        printf("lease enter your name,now you have exit.
");

        return;

    }

    

    send(sockfd,sendbuf,strlen(sendbuf),0);

    while(getMessage(sendbuf,MAXDATASIZE,fp)!=NULL)

    {

        send(sockfd,sendbuf,strlen(sendbuf),0);

        if((num=recv(sockfd,recvbuf,MAXDATASIZE,0))==0)

        {

            printf("Server no send you any data.
");

            return;

        }

        recvbuf[num]='';

        printf("服务器消息：%s
",ctime(&t));

    }

    printf("Exit.
");

}

char *getMessage(char *sendline,int len,FILE *fp)

{

    printf("请输入请求:
");

    return(fgets(sendline,len,fp));

}

• 运行成功截图：
• 

第八周课下测试1

教材学习及总结

第十一章 网络编程

第一节 客户端-服务端编程模型

• 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的

• 客户端和服务端是进程

第二节 网络

• 对于一个主机而言，网络只是又一种I/O设备

• 物理上而言，网络是一个按照地理远近组成的层次系统。

• 最底层是LAN（局域网） 适配器提供到网络的物理接口 以太网段（电缆+集线器）

• 一台主机可以发送一段位，称为帧 每个主机适配器都能看到这个帧，但是只有目的主机实际读取它 多个以太网段可以连接成较大的局域网，称为桥接以太网 网桥比集线器更充分的利用了电缆带宽 互联网络

• 在层次较高的级别中，多个不兼容的局域网可以通过路由器连接起来，组成互联网络 每台路由器对于它所连接到的每个网络都有一个适配器（端口） WAN(广域网） 路由器可以用来由各种局域网和广域网构建互联网络

• 网络协议提供两种基本能力：

  命名机制

  传送机制

  封装是关键

第三节 全球IP因特网

• 因特网的客户端和服务端混合使用套接字接口函数和Unix I/O函数来进行通信

• 因特网上的主机通过IP地址和域名来标识

• TCP/IP实际上是一个协议族

• IP机制从某种意义上而言是不可靠的 TCP是一个构建在IP之上的复杂协议，提供了进程间可靠地全双工连接

一、IP地址

一个IP地址就是一个32位无符号整数

IP/TCP为任意整数数据项定义了统一的网络字节顺序（大端字节顺序）

对inet-aton的调用传递的是指向结构的指针，而对inet_ntoa的调用传递的是结构本身

二、因特网域名

域名集合形成一个层次结构，子树称为子域

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

gethostbyname函数：返回和域名name相关的主机条目 gethostbyaddr函数：返回和IP地址相关联的主机条目 一个IP对多个域名，可供多个域名解析，但域名解析到的地址是一个对一个

三、因特网连接

点对点、全双工、可靠

客户端套接字地址中的端口是由内核自动分配的，称为临时端口

服务端套接字地址中的端口通常是某个知名端口（HTTP：80）

套接字地址：（地址：端口）

第四节 套接字接口

• 套接字接口是一组函数，用以创建网络应用

• 套接字地址结构

sinfamily成员是AFINET

sin_port成员是一个16位端口

sin_addr成员是32位的IP地址

IP地址和端口号总是以网络字节顺序（大端法）存放的

socket函数

客户端和服务端使用socket函数来创建一个套接字描述符

connect函数

建立和服务器的连接

open_clientfd函数

将socket和connect函数包装而成。客户端可以用它来和服务器建立连接 bind函数、listen函数、accept函数均被服务器用于和客户端建立连接

open_listenfd函数

socket、bind和listen函数结合。用于服务器创建一个监听描述符

第五节 Web服务器

1.协议

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 (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

Web内容可以用一种叫做 HTML(Hypertext Markup Language，超文本标记语言)的语言来编写。一个 HTML 程序(页)包含指令(标记)，它们告诉浏览器如何显示这页中的各种文本和图形对象

2.内容

对于Web客户端和服务端而言，内容是与一个MIME类型相关的字节序列

Web服务器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。磁盘文件称为静态内容 , 而返回文件给客户端的过程称为服务静态内容 运行一个可执行文件，并将它的输出返回给客户端。运行时可执行文件产生的输出称为态内容 ，而运行程序并返回它的输出到客户端的过程称为服务动态内容 每条由Web服务器返回的内容都是和他管理的某个文件相关联的。这些文件每一个都有一个唯一的名字，叫做：URL

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

I/O多路复用技术基本思想：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：

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FDZERO、FDSET、FDCLR和FDISSET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 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 <pthread.h> 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.h>

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 <pthread.h>

void pthread_exit(void *thread_return);

若成功返回0，出错为非0 3.pthread_cancle函数

#include <pthread.h>

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 <pthread.h>

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 <pthread.h>

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pthreadself()为参数的pthreaddetach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.h> 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。

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

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。

2.常见问题

这里的常见问题有生产者-消费者问题，和读者-写者问题，都是操作系统课程中详细讲述过的，不再赘述。

第七节 其他并发问题

一、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

二、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。

四、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

五、死锁：

一组线程被阻塞了，等待一个永远也不会为真的条件。

解决死锁的方法

1.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。 2.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。

代码托管

代码上传截图：

码云链接

学习进度条

	代码行数（新增/积累）	博客量（新增/积累	学习时间（新增/累积）
目标	5000行	30篇	400小时
第一周	5/5	1/1	8/8
第二周	120/120	1/1	12/12
第三周	100/100	1/1	15/15
第四周	80/80	1/1	9/9
第五周	50/50	1/1	6/6
第六周	350/350	1/1	12/12
第七周	120/120	2/2	15/15
第八周	380/380	1/1	16/16

参考资料

《深入理解计算机系统V3》学习指导