信息安全系统设计第十二周预习报告

密码系统设计

推荐VSCode中安装Markdown插件和markdown pdf 插件完成作业

AI 对学习内容的总结（1分）

要求

• 让AI（kimi，元宝等）阅读学习内容并进行总结，教材内容可以使用微信读书或者云班课电子教材

总结

第十二章的内容主要围绕多线程编程展开，特别是在C语言中如何使用POSIX线程（pthread）来实现代码的并行执行。以下是对这一章节的总结：

1. 多线程的引入：

   • 程序常常需要同时执行多个任务，如游戏需要同时计算物体位置、更新图形界面、通信等。
   • 多线程可以让代码更响应，通过并行运行代码片段来实现。

2. 线程与进程：

   • 进程可以同时执行多个任务，但创建进程耗时且难以共享数据。
   • 线程（轻量级进程）可以快速启动，共享所有数据，代码量较少。

3. 线程的基本概念：

   • 单线程程序就像一个一次只能做一件事的商店。
   • 多线程程序则像有多个员工的商店，可以同时完成多项任务。

4. 创建线程：

   • 使用POSIX线程库pthread。
   • 线程函数需要有void*返回类型，可以传递void*参数。
   • 使用pthread_create()创建线程，pthread_join()等待线程结束。

5. 线程同步：

   • 线程共享数据时可能会相互干扰，需要同步机制。
   • 介绍了一个啤酒计数的例子，展示了没有同步时线程安全问题。

6. 互斥锁（Mutex）：

   • 互斥锁用于保护代码段，防止多个线程同时访问共享资源。
   • 使用pthread_mutex_lock()和pthread_mutex_unlock()来控制对共享资源的访问。

7. 线程函数参数传递：

   • 线程函数只能接受一个void*参数，可以通过传递长整型（long）值来传递更多信息。

8. 死锁：

   • 讨论了死锁的概念，即两个线程互相等待对方释放锁，导致程序停滞。

9. 线程性能：

   • 线程可以提高程序的并行度，但过多的锁定可能导致性能下降。
   • 建议减少线程间共享数据的访问，以提高效率。

10. 线程与进程的比较：

    • 线程通常比进程更快，因为创建线程比创建进程需要的时间更少。

11. 总结：

    • 读者被鼓励根据兴趣选择成为哪种C语言开发者，无论是Linux黑客、嵌入式开发者、游戏开发者还是Mac和iOS程序员。
    • C语言是创造软件最多的语言之一，是互联网和几乎所有操作系统背后的语言，也是编写几乎所有其他语言的语言。

这一章节为读者提供了多线程编程的基础知识和实践技巧，帮助他们理解如何在C语言中实现并行处理，以及如何使用互斥锁来保护共享数据。

对 AI 总结的反思与补充（2分）

要求

• AI总结的问题
• 自己的补充

反思与补充

总结存在以下问题和需要补充的地方：

1. 细节不足：

   • 总结中缺少了一些关键的代码示例和具体的函数用法，这些对于理解多线程编程至关重要。

2. 实践指导不够：

   • 总结应该包含一些关于如何调试和测试多线程程序的建议，以及如何避免常见的多线程问题，如竞态条件和死锁。

3. 性能优化讨论不足：

   • 虽然提到了线程锁定可能导致性能下降，但没有深入讨论如何优化线程的使用以提高性能。

4. 安全性问题：

   • 需要强调线程安全的重要性，并提供一些最佳实践，以确保线程安全地访问共享资源。

5. 上下文切换的解释：

   • 可以更详细地解释操作系统如何通过上下文切换来模拟多线程执行，即使在单核处理器上。

6. 现代多核处理器的利用：

   • 应该讨论现代多核处理器如何利用线程来提高计算效率，以及如何编写能够充分利用多核的代码。

7. 错误处理：

   • 总结中应该包含关于线程函数中错误处理的讨论，例如如何处理线程创建失败或线程同步问题。

8. 结束语的扩展：

   • 结束语可以进一步激励读者探索C语言的更多领域，并提供一些学习资源或进阶阅读的建议。

9. 代码示例：

   • 可以提供一个或多个具体的代码示例，展示如何创建线程、同步线程以及使用互斥锁。

10. 图表和可视化：

    • 如果可能的话，添加图表和流程图可以帮助可视化多线程的执行流程和同步机制。

补充内容：

• 代码示例：

  #include <pthread.h>
  void* thread_function(void* arg) {
      // 线程执行的代码
      return NULL;
  }
  
  int main() {
      pthread_t thread_id;
      if (pthread_create(&thread_id, NULL, thread_function, NULL) != 0) {
          perror("Thread creation failed");
          return 1;
      }
      pthread_join(thread_id, NULL);
      return 0;
  }
  

• 调试和测试多线程程序：
  • 使用工具如Valgrind的Helgrind工具来检测数据竞争和其他线程问题。
  • 编写测试用例，确保在多线程环境下程序的行为符合预期。

通过这些反思和补充，总结将更加全面和实用，更好地帮助读者理解和应用多线程编程的概念。

学习思维导图（2分）

要求

• Mermaid 代码与截图(参考Mermaid MindMap语法)或者提交思维导图链接（如果使用线上编辑器，推荐processon,xmind,…）

思维导图

下面是个简单mermaid的思维导图，你可以根据你自己的需求修改

mindmap
  root((密码系统设计第十二周))
    	graph TD
		    A[第十二章：多线程编程] --> B[多线程的引入]
		    A --> C[线程与进程]
		    A --> D[线程的基本概念]
		    A --> E[创建线程]
		    A --> F[线程同步]
		    A --> G[互斥锁（Mutex）]
		    A --> H[线程函数参数传递]
		    A --> I[死锁]
		    A --> J[线程性能]
		    A --> K[线程与进程的比较]
		    A --> L[总结与反思]
		
		    B --> B1[程序需要同时执行多个任务]
		    B --> B2[多线程提高代码响应性]
		
		    C --> C1[进程耗时且难以共享数据]
		    C --> C2[线程快速启动且共享数据]
		
		    D --> D1[单线程程序]
		    D --> D2[多线程程序]
		
		    E --> E1[使用POSIX线程库pthread]
		    E --> E2[线程函数void*返回类型]
		    E --> E3[pthread_create()创建线程]
		    E --> E4[pthread_join()等待线程结束]
		
		    F --> F1[线程共享数据时的干扰]
		    F --> F2[同步机制保护共享资源]
		
		    G --> G1[互斥锁保护代码段]
		    G --> G2[pthread_mutex_lock()和pthread_mutex_unlock()]
		
		    H --> H1[线程函数接受void*参数]
		    H --> H2[通过long值传递更多信息]
		
		    I --> I1[两个线程互相等待对方释放锁]
		
		    J --> J1[线程提高并行度]
		    J --> J2[过多的锁定可能导致性能下降]
		
		    K --> K1[线程比进程更快]
		    K --> K2[创建线程比创建进程时间短]
		
		    L --> L1[激励读者探索C语言领域]
		    L --> L2[提供学习资源或进阶阅读建议]

    课件
        网络空间安全
        密码与密码系统
        法律法规与标准
        密码应用与密评
    实践
        gitee（github）
        openssl
        gmssl

上面mermaid实际效果，vscode中可以预览：

基于 AI 的学习（2分）

要求

• 至少找到自己理解不是太好 2 个概念，让 AI 对自己进行苏格拉底提问
• 参考下面提示语或者使用 AI Agent

提示词：“我在学习XXX知识点，请你以苏格拉底的方式对我进行提问，一次一个问题”

1. 核心是要求AI工具：“请你以苏格拉底的方式对我进行提问”
2. 然后AI工具就会给你提问，如果不知道问题的答案，可以反问AI：“你的理解（回答）是什么？”
3. 如果你觉得差不多了，可以先问问AI工具：“针对我XXX知识点，我理解了吗？”
4. AI工具会给出它的判断，如果你也觉得自己想清楚了，可以最后问AI工具：“我的回答结束了，请对我的回答进行评价总结”，让它帮你总结一下。

学习内容

me

我在学习多线程编程相关知识点，请你以苏格拉底的方式对我进行提问，一次一个问题

ai

问题1： 当我们谈到多线程编程，你首先想到的是什么？它与单线程编程有何不同？

me

我会想到程序同时执行多个任务，这也是我觉得于单线程编程不同的地方

ai

问题2： 那么，你为什么认为能够同时执行多个任务是一个重要的特性？在单线程程序中，这种并行性是否可能，以及它会带来哪些挑战？

me

因为能同时执行多个任务会大大增加工作效率，在单线程程序中，无法并发执行，可能会无法解决更多复杂的现实工作问题

ai

问题3： 非常好，那么在多线程程序中，如果多个线程需要访问和修改同一个数据，可能会遇到什么问题？你之前提到了效率，那么这种情况会不会对效率产生负面影响？

me

可能会发生进程的死锁，导致进程执行中断。这种情况会对效率产生严重的负面影响

ai

问题4： 你提到了死锁，这是一个多线程编程中的关键问题。那么，死锁是如何发生的？我们如何避免或解决死锁问题？

me

死锁的产生条件我不太明确

ai

好的，我来帮你解释一下死锁产生的四个基本条件，这些条件通常被称为死锁的“必要条件”，它们必须同时满足，死锁才可能发生：

1. 互斥条件（Mutual Exclusion）：

   • 指多个线程不能同时处于它们的临界区，即不能同时访问共享资源。

2. 占有和等待条件（Hold and Wait）：

   • 一个线程至少占有一个资源，并且等待获取其他线程所占有的资源。

3. 不可抢占条件（No Preemption）：

   • 资源只能由占有它的线程自愿释放，其他线程不能强行抢占。

4. 循环等待条件（Circular Wait）：

   • 存在一个线程的集合，其中每个线程都在等待下一个线程所占有的资源。

只有当这四个条件同时满足时，死锁才会发生。理解这些条件有助于我们设计算法来避免死锁，例如通过打破其中一个或多个条件来实现。例如，我们可以：

• 设计算法确保线程不会同时占有多个资源（打破占有和等待条件）。
• 允许资源被抢占（打破不可抢占条件）。
• 确保线程不会循环等待资源（打破循环等待条件）。

通过这些策略，我们可以减少死锁发生的可能性，提高多线程程序的稳定性和效率。

学习实践过程遇到的问题与解决方式（AI 驱动，优先使用AI工具解决问题）（2分）

• 1. 理解线程和进程的区别
     **问题：**混淆线程和进程的概念。
     解决方式： 理解进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位，而线程是进程中的实际运作单位，共享进程的资源。
• 2. 线程创建和管理
     问题： 不熟悉如何创建和管理线程。
     解决方式： 学习使用pthread_create()创建线程，pthread_join()等待线程结束，以及pthread_exit()让线程正常退出。
• 3. 线程同步问题
     问题： 多个线程访问共享资源时可能会引发数据不一致的问题。
     解决方式： 使用互斥锁（pthread_mutex_lock()和pthread_mutex_unlock()）来同步线程，保护共享资源。
• 4. 死锁问题
     问题： 线程在等待资源时可能发生死锁。
     解决方式： 避免占有和等待、不可抢占和循环等待的条件，使用死锁检测算法或避免策略。
• 6. 线程安全
     问题： 代码在多线程环境下可能会出现不可预测的行为。
     解决方式： 编写线程安全的代码，确保所有共享数据的访问都是安全的。
• 7. 性能优化
     问题： 线程的创建和同步可能会影响程序性能。
     解决方式： 减少锁的使用，使用无锁编程技术，合理分配线程数量。
• 8. 调试多线程程序
     问题： 多线程程序的调试比单线程程序更复杂。
     解决方式： 使用专门的调试工具，如Valgrind的Helgrind工具，来检测数据竞争和其他线程问题。
• 9. 理解上下文切换
     问题： 不理解操作系统如何管理多线程。
     解决方式： 学习操作系统的调度算法和上下文切换机制。
• 10. 线程间的通信
      问题： 不知道如何在线程之间传递数据和信号。
      解决方式： 学习使用条件变量（pthread_cond_wait()和pthread_cond_signal()）以及其他线程间通信机制。

作业提交要求（1分）

1. 提交Markdown 文件,文档命名“学号姓名《密码系统设计》第X周.md”
2. 提交Markdown 文件转为 PDF,文档命名“学号姓名《密码系统设计》第 X 周.pdf”
3. 提交代码托管链接（可选）：学号姓名 gitee(github) 链接
4. 内容质量高有加分