CSAPP 并發程式設計讀書筆記

并發：Concurrency，隻要時間上重疊就算并發，可以是單處理器交替處理

并行：Parallel，屬于并發的一種特殊情況（真子集），多核/多 CPU 同時處理

現代作業系統提供了 3 種基本的構造并發程式的方法：

程序：每個邏輯控制流都是一個程序，由核心排程和維護。

I/O 多路複用 ：在一個程序上下文中顯式地排程他們自己的邏輯流。邏輯流被模型化為狀态機。

線程：運作在單一程序上下文中的邏輯流，由核心進行排程。可以看作上面兩種方式的混合體（核心排程，但共享同一虛拟位址空間）。

父、子程序中的已連接配接描述符都指向同一個檔案表表項，是以父程序關閉 connfd 至關重要。否則，永遠不會釋放已連接配接描述符 4 connfd 的檔案表條目，引起記憶體洩漏。因為 socket 檔案表表項中的引用計數，直到父子程序 connfd 都關閉了，到用戶端的連接配接才會終止。

共享檔案表，但不共享位址空間（是優點，也是缺點）。不友善共享資料，隻能通過顯式 IPC。程序控制和 IPC 開銷大。

通過 <code>select</code> 函數，等待一組描述符 ready。

<code>select</code> 阻塞，直到至少一個 fd ready（即讀取一個位元組不阻塞）

注意：<code>select</code> 有副作用，會修改入參 fdset 的内容！

單一程序上下文，共享資料容易。

事件驅動，不需要上下文切換，高效，有明顯的性能優勢。

編碼複雜

不能充分利用多核處理器

因為明顯的性能優勢，現代高性能伺服器如 Node.js、nginx 和 Tornado 都是基于 I/O 多路複用的事件驅動

線程由核心自動排程，每個線程有自己的線程上下文。

線程上下文：線程 ID（TID）、棧、棧指針、程式計數器、通用目的寄存器和條件碼。

為了避免 race condition，connfd 必須在堆中建立，線上程中釋放，而不能直接把 connfd 的位址傳給 threadFunc！

每個線程有獨立的線程上下文，共享程序上下文其餘部分，包括整個使用者虛拟位址空間：隻讀文本（代碼.text）、讀/寫資料（.bss &amp; .data）、堆、共享庫代碼和資料。

線程棧不對其他線程設防。

全局變量：定義在函數之外。僅一個執行個體@虛拟記憶體讀/寫區

本地自動變量：定義在函數内，且沒有 static。@虛拟記憶體線程棧

本地靜态變量：定義在函數内，并有 static。僅一個執行個體@虛拟記憶體讀/寫區

C++11 thread_local 存在哪裡？

cnt++ 可以細分 3 個子步驟：加載 L、更新 U、儲存 S。這三個動作必須一次性完成，不可中斷。

進度圖不适用于多處理器。

P(s)：若 s 非零，則 s 減 1，立即傳回。若 s 為零，挂起線程，直到 s 變為非零，然後将 s 減 1 傳回。

V(s)：将 s 加 1。如果有線程阻塞，則喚醒這些線程中的某一個。

P、V 的加一減一的操作都是原子操作，即 L、U、S 的過程沒有中斷。

如果有多個線程再等待喚醒，V(s) 隻能随機喚醒一個線程，不能指定喚醒哪個線程。

讀者、寫者平等地争奪 w，一旦讀者擷取了 w，将一直占有 w，直到最後一個讀者離開，釋放 w。

如果讀者不斷到達，寫者可能無限等待，導緻饑餓。

以下是一個讀者優先的例子。（弱優先級，當最後一個讀者釋放 w，下一個擷取 w 的不一定是等待 w 的讀者，也有可能是等待 w 的寫者！）

很好的例子，結合上述多種方式的優點，建議親自寫一遍。代碼參考 CSAPP，不再贅述。

通用技術：向對等線程傳遞一個小整數，作為唯一的線程 ID。每個對等線程根據線程 ID 來決定它應該計算序列的哪一部分。

通常每個核上運作一個線程，在一個核上運作運作多個線程會有額外的上下文切換開銷。

多線程求和的例子：

線程數

1

2

4

8

16

sum_mutex

68.00

432.00

719.00

552.00

599.00

sum_global

7.26

3.64

1.91

1.85

1.84

sum_local

1.06

0.54

0.28

0.29

0.30

線程安全（thread-safe）：多個并發線程反複調用，結果正确

可重入（reentrant）：線程安全的真子集，不需要同步操作，比不可重入的線程安全的函數更高效。

四類不相交的線程不安全函數：

不安全類

說明

例子

變為線程安全的方法

不保護共享變量的函數

-

同步操作保護共享變量；缺點：慢

保持跨越多個調用的狀态的函數

僞随機數生成器：目前調用結果依賴前次調用的中間結果

唯一方式是重寫。不再依賴 static 資料，而是依靠調用者在參數中傳遞狀态

3

傳回指向靜态變量的指針的函數

ctime、gethostbyname：将結果儲存在 static 變量中，然後傳回這個變量的指針

a) 重寫：調用者傳遞存放結果的變量位址; b) 如果難以修改，則建立包裝函數，進行加鎖-複制。

調用線程不安全函數的函數

f 調用線程不安全函數 g

如果 g 是第 2 類，隻能重寫 g；如果 g 是 1、3 類，可以加鎖（拷貝）

大多數 Linux 函數都是線程安全的，包括定義在 C 庫中的函數（例如 malloc、free、realloc、printf、scanf）

線程不安全函數

線程不安全類

Linux 線程安全版本

rand

rand_r

strtok（已棄用）

strtok_r

asctime

asctime_r

ctime

ctime_r

gethostbyaddr（已棄用，推薦 getaddrinfo）

gethostbyaddr_r

gethostbyname（已棄用，推薦 getnameinfo）

gethostbyname_r

net_ntoa（已棄用，推薦 inet_ntop）

無

localtime

localtime_r

分析工具：進度圖

一個死鎖的例子：線程 A 持有 mutex1，等待 mutex2；線程 B 持有 mutex2，等待 mutex1

避免死鎖的最簡單方式——互斥鎖加鎖順序規則：給定所有互斥操作的一個全序，如果每個線程都是以一種順序獲得互斥鎖并以相反的順序釋放，那麼這個程式就是無死鎖的。

注：現代 C++ 可以一次獲得多個鎖，從根源上避免了死鎖。

并發：時間上重疊的邏輯流

三種并發機制：程序、I/O 多路複用和線程

程序由核心排程，獨立虛拟位址空間，隻能顯式 IPC 共享資料

事件驅動程式有自己的并發邏輯流（模型化為狀态機），用 I/O 多路複用來顯式排程這些流

線程：核心自動排程，單一程序上下文

信号量解決共享資料的并發通路問題，提供互斥通路，也支援生産者-消費者、讀者-寫者

被線程調用的函數必須線程安全，有四類線程不安全的函數

可重入函數比不可重入函數更高效，因為不需要任何同步操作

小心競争和死鎖

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現代 C++ 對多線程/并發的支援 A Tour of C++（上）

現代 C++ 對多線程/并發的支援 A Tour of C++（下）

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