《CSAPP》并發程式設計

前言：

     這是該書的最後一章了，從彙編和并行的角度上，徹底解釋清楚了兩個線程對同一個全局變量執行加一出錯的原因。并且引入了進度圖的概念，解釋清楚死鎖産生的原因。

我的github：

我實作的代碼全部貼在我的github中，歡迎大家去參觀。

https://github.com/YinWenAtBIT

第十二章：并發程式設計

定義：

如果邏輯控制流在時間上重疊，那麼他們就是并發的。

一、并發程式設計的用處：

1.通路慢速的I/O裝置：

等待慢速的IO裝置時，可以讓CPU轉去處理其他的指令。

2.與人互動：

每次使用者請求某種操作時，一個獨立的邏輯并發流創造出來執行這個操作

3.通過推遲工作來降低延遲：

4. 服務多個網絡用戶端：

5.在多核機器上進行并行計算：

6. 程序

7. IO多路複用

8. 線程

二、基于程序的并發程式設計：

三、基于IO多路複用的并發程式設計：

這兩個部分已經在《UNIX網絡程式設計》中已經有了詳細的叙述了，是以略過。

線程：

一、基于線程的特點：

1. 線程就是運作在程序上下文中的邏輯流：

線程由核心自動排程運作

2. 每個線程都有自己的線程上下文：

唯一的整數線程ID，棧，棧指針，程式電腦，通用目的計數器和條件碼。

3. 所有運作在一個程序裡的線程都共享該程序的整個虛拟位址空間

二、線程執行模型：

1.程序開始時那個線程稱為主線程：

主線程建立的其他線程都是對等線程

2. 和一個程序相關的線程組成一個對等的線程池：

主線程和其他線程的差別僅僅在于它是第一個運作的線程

3. 一個線程可以殺死任何的對等線程，或者等待它的任意對等線程終止

4. 每個對等線程可以讀寫相同的共享資料

三、線程函數：

1. 建立線程，傳回線程ID：

int pthread_create

pthread_t pthread_self

2. 終止線程：

void pthread_exit(void * thread_return)

當頂層的線程例程傳回時，線程會隐式的終止

通過調用pthread_exit函數，線程會顯式的終止。

如果主線程調用pthread_ext，它會等待其他對等線程終止，然後再終止主線程和整個程序。

某個對等線程調用UNIX的exit函數，該函數終止程序以及所有該程序的線程

另一個對等線程通過以目前線程ID為參數調用pthread_cancle懶終止目前線程

3. 收回已終止的檢測的資源：

iint pthread_join(pthread_t tid, void ** thread_return)

這個函數會組設，直到線程tid終止。然後釋放線程占用的資源

4. 分離線程：

pint pthread_detach(pthread_t tid)

線程時可結合的或者是可分離的，一個可結合的線程可以被其他線程收回資源或者殺死。

一個分離的線程時不可以被其他線程收回或者殺死的。它的存儲器資源線上程終止時由系統自動釋放。

四、線程存儲器模型：

1.每個線程都有自己獨立的線程上下文：

線程ID，棧，棧指針，程式計數器，條件碼和通用目的寄存器

2. 每個線程與其他線程一起共享程序上下文的剩餘部分：

整個使用者的虛拟位址空間，由隻讀代碼段，讀寫資料區，堆，共享庫代碼和資料區域組成。共享已經打開的檔案集合。

3. 寄存器是不共享的，虛拟存儲器總是共享的。

五、變量映射到儲存器：

1. 全局變量：

運作時，虛拟儲存器的讀寫區域包含每個全局變量的一個執行個體，任何線程都可以通路

2. 本地自動變量：

每個線程都包含它自己所有的本地變量的執行個體

3. 本地靜态變量：

定義在函數内部并且有static屬性的變量，在虛拟存儲器的讀寫區域有每個靜态變量的一個執行個體，每個線程都可以通路。

信号量同步線程：

一、對共享變量調用的方式：

在彙編中，每個線程都從儲存器中取出變量，然後加載到自己的寄存器上，然後對變量進行操作，操作完之後再寫回儲存器中。

這樣在幾個線程同時對共享變量操作的時候，如果一個線程剛剛更新完了共享變量，還沒來得及寫回去，另一個線程就從儲存器中取出了變量，将會導緻同步錯誤。

一般而言，沒辦法預測作業系統是否會為線程選擇一個正确的順序，是以不能依賴這樣的順序來編寫程式。

二、信号量：

可以用信号量來實作互斥，這一部分在APUE中有詳細的講訴，在這裡就不細說。

三、生産者消費者問題：

需要使用1個互斥量來控制對資源的通路，一個信号量代表槽，一個信号量代表産品。

四、讀寫者問題：

有兩種模式，一種是讀者優先，這樣情形使用一個互斥鎖，加上讀者計數器就可以完成。

第二種寫着優先模式：

需要使用多個互斥量和計數，來完成這個複雜的邏輯關系。

五、基于預線程化的并發伺服器：

這個問題使用生産者消費者模型可以解決。将每個收到的connfd當做生産出來的資料加入即可。

其他并發問題：

一、線程安全：

1. 定義：

一個函數被稱為線程安全你的，僅當被多個線程反複調用時，它會一直産生正确的結果

二、線程不安全種類：

1. 不保護共享變量的函數：

這個就是沒有對共享變量進行加鎖，修改的方式隻要加上互斥量即可。改完之後速度會因為同步導緻變慢

2. 保持跨越多個調用狀态的函數：

這類函數中有一個static變量，用來儲存上一次的結果，比如rand函數。因為這一次調用的結果依賴于上一次調用的結果，那麼将導緻被多個線程調用的時候結果不唯一。

修正這類函數的唯一辦法就是重寫它，放棄使用static資料，而是使用調用者傳遞來的狀态資訊。這樣做的缺點就是已經在使用這個函數的其他代碼需要修改。

3. 傳回指向靜态變量的指針的函數：

結果使用static來儲存結果，然後傳回一直指向這個結果的指針，這樣就會引入競争問題。

解決辦法：

a. 重寫函數，讓調用者傳遞存放結果的位址，這樣的壞處就是使用了這個函數的代碼需要重寫。

b. 對這個線程不安全的函數加鎖，直到結果被拷貝出去之後再解鎖，但是實際上也還是得修改源代碼。

4. 調用線程不安全函數的函數：

這種情況就是函數 F 調用了線程不安全的函數 G，

如果G是第二類函數，那麼F還是不安全的

如果G是1,3 類函數，可以在F中對G的調用加鎖，就可以是的F變成線程安全你的函數了。

三、可重入性：

定義：

可重入的特别在于，當一個可重入函數被多個線程調用時，不用引用任何共享資料。

可重入函數是線程安全函數的一個真子集。

四、死鎖：

1. 定義：

死鎖是一組線程被阻塞了，等待一個永遠不會為真的條件。使用進度圖可以非常好的了解死鎖發生于避免。

2. 互斥鎖加鎖規則順序：

如果對于程式中每對互斥鎖（s,t），給所有的鎖配置設定一個全序，每個線程按照這個順序來請求鎖，并且按照逆序來釋放。這樣這個程式就是無死鎖的。

總結：

這一部分對于并發程式設計的解釋，徹底說清了并發程式設計的原理，會遇上的問題，以及解決的辦法。以後遇上多線程時再也不是問題了。