2018-2019-1 20165228 《資訊安全系統設計基礎》第八週學習總結

教材學習內容總結

併發程式設計

• 併發：邏輯控制流在時間上重疊
• 併發程式：使用應用級併發的應用程式稱為併發程式。
  三種基本的構造併發程式的方法：
• 程序，用核心來呼叫和維護，有獨立的虛擬地址空間，顯式的程序間通訊機制。
• I/O多路複用，應用程式在一個程序的上下文中顯式的排程控制流。邏輯流被模型化為狀態機。
  執行緒，執行在一個單一程序上下文中的邏輯流。由核心進行排程，共享同一個虛擬地址空間。

• 基於程序的併發程式設計
  構造併發程式最簡單的方法就是用程序。

• 一個構造併發伺服器的自然方法就是，在父程序中接受客戶端連線請求，然後建立一個新的子程序來為每個新客戶端提供服務。
  基於程序的併發伺服器

• 通常伺服器會執行很長的時間，所以我們必須要包括一個 SIGCHLD 處理程式，來回收僵死 (zombie) 子程序的資源。當 SIGCHLD 處理程式執行時， SIGCHLD 訊號是阻塞的，而 Unix 訊號是不排隊的。

• 父子程序必須關閉它們各自的 connfd 拷貝。父程序必須關閉它的已連線描述符，以避免儲存器洩漏。直到父子程序的 connfd 都關閉了，到客戶端的連線才會終止。

程序的優劣

• 優點：一個程序不可能不小心覆蓋另一個程序的虛擬儲存器，這就消除了許多令人迷惑的錯誤。
• 缺點：獨立的地址空間使得程序共享狀態資訊變得更加困難。為了共享資訊，它們必須使用顯式的IPC(程序間通訊)機制。基於程序的設計的另一個缺點是，它們往往比較慢，因為程序控制和 IPC 的開銷很高。

基於 I/O 多路複用的併發程式設計

• I/O多路複用技術的基本思路：使用select函式，要求核心掛起程序，只有在一個或多個I/O事件發生後，才將控制返回給應用程式
• 狀態機就是一組狀態、輸入事件和轉移，轉移就是將狀態和輸入時間對映到狀態，自迴圈是同一輸入和輸出狀態之間的轉移。
  I/O 多路複用技術的優劣
• 優點：
  它比基於程序的設計給了程式設計師更多的對程式行為的控制。
  一個基於 I/O 多路複用的事件驅動伺服器是執行在單一程序上下文中的，因 此每個邏輯流都能訪問該程序的全部地址空間。
• 缺點：編碼複雜且不能充分利用多核處理器。
  基於執行緒的併發程式設計
• 執行緒：執行在程序上下文中的邏輯流。

執行緒有自己的執行緒上下文，包括一個唯一的整數執行緒ID、棧、棧指標、程式計數器、通用目的暫存器和條件碼。所有執行在一個程序裡的執行緒共享該程序的整個虛擬地址空間
主執行緒：每個程序開始生命週期時都是單一執行緒。

對等執行緒：某一時刻，主執行緒建立的對等執行緒。

• 進度圖
  進度圖是將n個併發執行緒的執行模型化為一條n維笛卡爾空間中的軌跡線，原點對應於沒有任何執行緒完成一條指令的初始狀態。

• 轉換規則：
  合法的轉換是向右或者向上，即某一個執行緒中的一條指令完成
  兩條指令不能在同一時刻完成，即不允許出現對角線
  程式不能反向執行，即不能出現向下或向左
  訊號量定義：

type semaphore=record
count: integer;
queue: list of process
end;
var s:semaphore;

讀者—寫者問題：
（1）讀者優先，要求不讓讀者等待，除非已經把使用物件的許可權賦予了一個寫者。
（2）寫者優先，要求一旦一個寫者準備好可以寫，它就會盡可能地完成它的寫操作。
（3）飢餓就是一個執行緒無限期地阻塞，無法進展。
其他併發問題

• 執行緒安全
  當且僅當被多個併發執行緒反覆地呼叫時，它會一直產生正確的結果。

• 可重入性
  顯式可重入的：所有函式引數都是傳值傳遞，沒有指標，並且所有的資料引用都是本地的自動棧變數，沒有引用靜態或全劇變數。
  隱式可重入的：呼叫執行緒小心的傳遞指向非共享資料的指標。

競爭

• 發生的原因：一個程式的正確性依賴於一個執行緒要在另一個執行緒到達y點之前到達它的控制流中的x點。也就是說，程式設計師假定執行緒會按照某種特殊的軌跡穿過執行狀態空間，忘了一條準則規定：執行緒化的程式必須對任何可行的軌跡線都正確工作。
• 消除方法：動態的為每個整數ID分配一個獨立的塊，並且傳遞給執行緒例程一個指向這個塊的指標
  死鎖
• 死鎖：一組執行緒被阻塞了，等待一個永遠也不會為真的條件。