CSAPP并发编程

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逻辑流：pc值的序列叫逻辑控制流，简称逻辑流

并发：多个逻辑流执行时相互重叠，称为并发流，这种现象叫做并发（concurrency）

并行：并行流是并发流的真子集，两个流并发运行在不用的核或计算机上称为并行流

应用程序实现并发的三种方法

进程

每个逻辑控制流都是一个进程，有其独立的虚拟地址空间

  • 服务器在收到客户端请求后生成子进程单独处理，处理完后要回收僵尸进程
  • 不同进程间不共享数据，所以需要用IPC进行进程间通讯
  • 父进程和子进程都有 listenfd 和 connfd，所以在父进程中需要关闭 connfd，在子进程中需要关闭 listenfd

优点：独立的地址空间使一个进程不会覆盖别的进程的虚拟存储器

缺点：1. 共享信息更困难；2. 依靠IPC开销较高，会比较慢

I/O多路复用

逻辑流被模型化为状态机，数据到达文件描述符后，主程序显示地从一个状态转到另一个状态，程序是一个单独的进程，所有的流都共享一个地址空间

类似于进程池，服务器维护一个connection 数组，包含若干个connfd，每个输入请求被当做一个事件，每次从已有事件选择一个进行处理

优点：只使用一个逻辑控制流和地址空间，可以利用调试器进行单步调试（其他的方法因为并行的缘故基本没办法调试），也不会有进程/线程控制的开销。

缺点：代码的逻辑复杂度会比较高，很难进行精细度比较高的并行，也无法发挥多核处理器的全部性能

线程

是运行在一个单一进程上下文中的逻辑流，由内核调度，像是前两种的混合体

每个线程有自己的线程上下文，包括一个唯一的线程ID，栈，栈指针，程序计数器，通用目的寄存器和条件码

每个进程开始生命周期时都是单一线程，这个线程称为主线程，它可以创建对等线程，然后它们便可以并发地运行了。主线程和其他线程唯一的区别是它总是进程中第一个运行的线程

线程上下文切换比进程快得多，而且不是按照严格的父子层次来组织的，与一个进程相关的线程组成一个对等池，独立于其他（进程的）线程创建的线程。对等池的概念：一个线程可以杀死它的任何对等线程，或者等待它的任意对等线程终止，同时对等线程能读写相同的共享数据

优点：容易共享资源，但也容易出现问题，开销比进程小

缺点：对具体的调度可控性较低，难以调试，因为事件发生的顺序不一致

并发中的同步问题

什么是共享变量

  1. 线程存储器模型

    • 独立的线程上下文（线程 ID，栈，栈指针，PC，条件码，GP 寄存器）
    • 共享的进程上下文部分，包括整个用户虚拟地址空间（只读文本，读/写数据，堆，共享库代码和数据区域）
    • 共享同样的打开文件集合

    在实际的模型中，寄存器的值虽然是隔离且被保护的，但是在栈中的值并不是这样的（其他线程也可以访问）

  2. 将变量映射到存储器

    • 全局变量：VM的读/写区域只包含每个全局变量的一个实例，任何线程都可以引用
    • 本地自动变量：在运行时，每个线程的栈都包含它自己的所有本地自动变量的实例
    • 本地静态变量：VM读/写区域只包含在程序中声明的每个本地静态变量的一个实例，每个对等线程能读写该实例

  3. 共享变量

    当一个变量的一个实例被一个以上的线程引用时，称为共享的

信号量

共享变量可能引起同步错误，因为我们没有办法预测操作系统所执行的指令的顺序，但可以使用信号量来限制程序的执行顺序来解决

利用进度图可以看到线程的执行顺序，临界区交集的区域称为不安全区，绕开不安全区的轨迹叫做安全轨迹线，使用信号量可以保证得到一条安全轨迹线

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计数信号量具备两种操作动作，称为 V（又称signal()）与 P（wait()）。 V 操作会增加信号量 S 的数值，P 操作会减少。基本思想就是将每个共享变量与一个信号量s（初始化为1）联系起来，然后通过P和V操作将相应的临界区包围起来。以这种方式来保护共享变量的信号量叫做二元信号量，因为它的值总是0或者1。以提供互斥为目的的二元信号量常常也成为互斥锁。在一个互斥锁上执行P操作称为加锁。V操作称为解锁。

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除了提供互斥之外，信号量还可以调度对共享资源的访问，一个线程用信号量操作来通知另一个线程，程序中的某个条件已经为真了。经典的使用例子有生产者-消费者问题，读者-写者问题

线程安全

一个程序被多个并发线程调用时并一直产生正确的结果，那么该程序就是线程安全的

在并发中，被线程调度的函数必须具有一种称为线程安全的属性

四类线程不安全的函数

  1. 不保护共享变量的函数
    • 解决办法：使用 P 和 V semaphore 操作
    • 问题：同步操作会影响性能
  2. 在多次调用间保存状态的函数
    • 解决办法：把状态当做传入参数
  3. 返回指向静态变量的指针的函数
    • 解决办法1：重写函数，传地址用以保存
    • 解决办法2：上锁，并且进行复制
  4. 调用线程不安全函数的函数
    • 解决办法：只调用线程安全的函数

可重入函数：被多个线程调用时不使用共享变量。它是线程安全函数非常重要的子集，不需要同步操作。上面第二类函数的解决办法就是把他们修改为可重入函数

竞争

就是轨迹进入了不安全区，为了消除竞争，可以动态地为每个线程ID分配一个独立的块，但要注意释放这些块以避免存储器泄露