CSSAPP稀里糊涂的读书笔记（十二）并发编程-优快云博客

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本文探讨了进程、I/O多路复用和线程三种构造并发程序的方法。详细解释了线程的概念，包括线程的调度、上下文和共享变量。介绍了使用信号量同步线程的方法，避免死锁的策略，以及如何识别和解决线程不安全的函数。

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本章主要研究三种基本的构造并发程序的方法：

进程。每个逻辑控制流都是一个进程，由内核来调度和维护。因为进程有独立的虚拟地址空间，想要和其他流通信，控制流必须使用某种显示的进程间通信（IPC）机制。
I/O多路复用。应用程序在一个进程的上下文中显式地调度它们自己的逻辑流。逻辑流被模型化为状态机，数据到达文件描述符后，主程序显式地从一个状态转换到另一状态。因为程序是一个单独地进程，所以所有地流都共享同一个地址空间。
线程。线程是运行在一个单一进程上下文中的逻辑流，由内核进行调度。你可以把线程看成是其他两种方式的混合体，像进程流一样由内核进行调度，而像I/O多路复用流一样共享同一个虚拟地址空间。

构造并发程序最简单的方法就是用进程，使用那些大家都很熟悉的函数，像fork、exec和waitpid。
看下面图就是利用进程实现并发
基于I/O多路复用技术的基本思路是使用select 函数，要求内核挂起进程，只有在一个或多个I/O事件发生后，才将控制返回给应用程序。
I/O多路复用可以用做并发事件驱动程序的基础，在事件驱动程序中，某些事件会导致流向前推进，一般的思路是将逻辑流模型化为状态机。不严格的说，一个状态机就是一组状态、输入事件和转移，其中转移是将状态和输入事件映射到状态。每个转移是将一个（输入状态，输入事件）对映射到一个输出状态。
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。每个线程都有它自己的线程上下文，包括一个唯一的整数线程ID（TID）、栈、栈指针、程序计数器、通用目的寄存器和条件码。所有运行在一个进程里的线程共享该进程的整个虚拟地址空间。
多线程的执行模型在某些方面和多进程的执行模型是相似的。如图，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（main thread）；在某一时刻，主线程创建一个对等线程（peer thread），从这个时间点开始，两个线程就并发的运行。
我们说一个变量v是共享的，当且仅当它的一个实例被一个以上的线程引用。
使用信号量同步线程
进度图将n 个并发线程的执行模型化为一条n 维笛卡尔空间中的轨迹线。
如下指令顺序对应的轨迹线：
H1、L1、U1、H2、L2、S1、T1、U2、S2、T2

对于线程i，操作共享变量cnt内容的指令（Li、Ui、Si）构成了一个（关于共享变量cnt的）临界区（critical section），这个临界区不应该和其他进程的临界区交替执行。换句话说，我们想要确保每个线程在执行它的临界区中的指令时，拥有对共享变量的互斥的访问。通常这种现象称为互斥。
在进度图中，两个临界区的交集形成的状态空间区域称为不安全区。如下图

Edsger Dijkstra，提出了一种经典的解决同步不同执行线程问题的方法，该方法基于一种叫做信号量（semaphore）的特殊类型变量的。信号量s 是具有非负整数值的全局变量，只能由两种特殊的操作来处理，这两种操作称为P和V：

P(s)：如果s 是非零的，那么P 将s 减 1，并且立即返回。如果s 为零，那么就挂起这个线程，直到s变为非零，而一个V 操作会重启这个线程。在重启之后，P 操作将s 减 1，并将控制返回给调用者。
V(s)：V 操作将s 加 1。如果有任何线程阻塞在 P 操作等待 s 变成非零，那么V 操作会重启这些线程中的一个，然后该线程将s 减 1，完成它的P 操作。

将每个共享变量（或者一组相关的共享变量）与一个信号量s （初始为 1）联系起来，然后用P(s)和V(s)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称为互斥锁（mutex）。对应的P操作称为对互斥锁加锁；V操作称为对互斥锁解锁。
在这里插入图片描述

生产者-消费者问题和读者-写者问题，经典问题，建议直接看书，这里不说了。
一个函数被称为线程安全的，当且仅当被多个并发程序反复地调用时，它会一致产生正确的结果。因此，我们能定义出四个（不相交的）线程不安全函数类：
第一类：不保护共享变量的函数。可以通过PV操作解决。
第二类：保持跨越多个调用的状态的函数。需要修改调用程序中的代码。
第三类：返回指向静态变量的指针的函数。一种方式是重写函数；另一种是使用加锁-复制技术。
第四类：调用线程不安全函数的函数。用互斥锁保护调用位置和任何得到的共享数据。
死锁（deadlock），它指的是一组线程被阻塞了，等待一个永远也不会为真的条件。