《CSAPP》并发编程

前言：

     这是该书的最后一章了，从汇编和并行的角度上，彻底解释清楚了两个线程对同一个全局变量执行加一出错的原因。并且引入了进度图的概念，解释清楚死锁产生的原因。

我的github：

我实现的代码全部贴在我的github中，欢迎大家去参观。

https://github.com/YinWenAtBIT

第十二章：并发编程

定义：

如果逻辑控制流在时间上重叠，那么他们就是并发的。

一、并发编程的用处：

1.访问慢速的I/O设备：

等待慢速的IO设备时，可以让CPU转去处理其他的指令。

2.与人交互：

每次用户请求某种操作时，一个独立的逻辑并发流创造出来执行这个操作

3.通过推迟工作来降低延迟：

4. 服务多个网络客户端：

5.在多核机器上进行并行计算：

6. 进程

7. IO多路复用

8. 线程

二、基于进程的并发编程：

三、基于IO多路复用的并发编程：

这两个部分已经在《UNIX网络编程》中已经有了详细的叙述了，因此略过。

线程：

一、基于线程的特点：

1. 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运行

2. 每个线程都有自己的线程上下文：

唯一的整数线程ID，栈，栈指针，程序计算器，通用目的计数器和条件码。

3. 所有运行在一个进程里的线程都共享该进程的整个虚拟地址空间

二、线程执行模型：

1.进程开始时那个线程称为主线程：

主线程创建的其他线程都是对等线程

2. 和一个进程相关的线程组成一个对等的线程池：

主线程和其他线程的区别仅仅在于它是第一个运行的线程

3. 一个线程可以杀死任何的对等线程，或者等待它的任意对等线程终止

4. 每个对等线程可以读写相同的共享数据

三、线程函数：

1. 创建线程，返回线程ID：

int pthread_create

pthread_t pthread_self

2. 终止线程：

void pthread_exit(void * thread_return)

当顶层的线程例程返回时，线程会隐式的终止

通过调用pthread_exit函数，线程会显式的终止。

如果主线程调用pthread_ext，它会等待其他对等线程终止，然后再终止主线程和整个进程。

某个对等线程调用UNIX的exit函数，该函数终止进程以及所有该进程的线程

另一个对等线程通过以当前线程ID为参数调用pthread_cancle懒终止当前线程

3. 收回已终止的检测的资源：

iint pthread_join(pthread_t tid, void ** thread_return)

这个函数会组设，直到线程tid终止。然后释放线程占用的资源

4. 分离线程：

pint pthread_detach(pthread_t tid)

线程时可结合的或者是可分离的，一个可结合的线程可以被其他线程收回资源或者杀死。

一个分离的线程时不可以被其他线程收回或者杀死的。它的存储器资源在线程终止时由系统自动释放。

四、线程存储器模型：

1.每个线程都有自己独立的线程上下文：

线程ID，栈，栈指针，程序计数器，条件码和通用目的寄存器

2. 每个线程与其他线程一起共享进程上下文的剩余部分：

整个用户的虚拟地址空间，由只读代码段，读写数据区，堆，共享库代码和数据区域组成。共享已经打开的文件集合。

3. 寄存器是不共享的，虚拟存储器总是共享的。

五、变量映射到储存器：

1. 全局变量：

运行时，虚拟储存器的读写区域包含每个全局变量的一个实例，任何线程都可以访问

2. 本地自动变量：

每个线程都包含它自己所有的本地变量的实例

3. 本地静态变量：

定义在函数内部并且有static属性的变量，在虚拟存储器的读写区域有每个静态变量的一个实例，每个线程都可以访问。

信号量同步线程：

一、对共享变量调用的方式：

在汇编中，每个线程都从储存器中取出变量，然后加载到自己的寄存器上，然后对变量进行操作，操作完之后再写回储存器中。

这样在几个线程同时对共享变量操作的时候，如果一个线程刚刚更新完了共享变量，还没来得及写回去，另一个线程就从储存器中取出了变量，将会导致同步错误。

一般而言，没办法预测操作系统是否会为线程选择一个正确的顺序，所以不能依赖这样的顺序来编写程序。

二、信号量：

可以用信号量来实现互斥，这一部分在APUE中有详细的讲诉，在这里就不细说。

三、生产者消费者问题：

需要使用1个互斥量来控制对资源的访问，一个信号量代表槽，一个信号量代表产品。

四、读写者问题：

有两种模式，一种是读者优先，这样情形使用一个互斥锁，加上读者计数器就可以完成。

第二种写着优先模式：

需要使用多个互斥量和计数，来完成这个复杂的逻辑关系。

五、基于预线程化的并发服务器：

这个问题使用生产者消费者模型可以解决。将每个收到的connfd当做生产出来的资料加入即可。

其他并发问题：

一、线程安全：

1. 定义：

一个函数被称为线程安全你的，仅当被多个线程反复调用时，它会一直产生正确的结果

二、线程不安全种类：

1. 不保护共享变量的函数：

这个就是没有对共享变量进行加锁，修改的方式只要加上互斥量即可。改完之后速度会因为同步导致变慢

2. 保持跨越多个调用状态的函数：

这类函数中有一个static变量，用来保存上一次的结果，比如rand函数。因为这一次调用的结果依赖于上一次调用的结果，那么将导致被多个线程调用的时候结果不唯一。

修正这类函数的唯一办法就是重写它，放弃使用static数据，而是使用调用者传递来的状态信息。这样做的缺点就是已经在使用这个函数的其他代码需要修改。

3. 返回指向静态变量的指针的函数：

结果使用static来保存结果，然后返回一直指向这个结果的指针，这样就会引入竞争问题。

解决办法：

a. 重写函数，让调用者传递存放结果的地址，这样的坏处就是使用了这个函数的代码需要重写。

b. 对这个线程不安全的函数加锁，直到结果被拷贝出去之后再解锁，但是实际上也还是得修改源代码。

4. 调用线程不安全函数的函数：

这种情况就是函数 F 调用了线程不安全的函数 G，

如果G是第二类函数，那么F还是不安全的

如果G是1,3 类函数，可以在F中对G的调用加锁，就可以是的F变成线程安全你的函数了。

三、可重入性：

定义：

可重入的特别在于，当一个可重入函数被多个线程调用时，不用引用任何共享数据。

可重入函数是线程安全函数的一个真子集。

四、死锁：

1. 定义：

死锁是一组线程被阻塞了，等待一个永远不会为真的条件。使用进度图可以非常好的理解死锁发生于避免。

2. 互斥锁加锁规则顺序：

如果对于程序中每对互斥锁（s,t），给所有的锁分配一个全序，每个线程按照这个顺序来请求锁，并且按照逆序来释放。这样这个程序就是无死锁的。

总结：

这一部分对于并发编程的解释，彻底说清了并发编程的原理，会遇上的问题，以及解决的办法。以后遇上多线程时再也不是问题了。