4.2《深入理解電腦系統》筆記（五）並發、多進程和多線程【Final】

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該書中第11章是寫web伺服器的搭建，無奈對web還比較陌生。還沒有搞明白。

    這些所謂的並發，其實都是作業系統做的事情，比如，多進程是作業系統fork函數實現的、I/O多工需要核心掛起進程、多線程需要核心建立和掛起線程。我麼只是使用以下作業系統的這項並發技術。但是我們必須處理一些存在問題。

    ●進程。用這種方法，每個邏輯控制流程都是一個進程，由核心來調度和維護。因為進程有獨立的虛擬位址空間，想要和其他流通訊，控制流程必須使用處理序間通訊（IPC）。

    ●I/O多工。這種形式的並發，應用程式在一個進程的上下文中顯示地調度它們自己的邏輯流。邏輯流被類比為“狀態機器”，資料到達檔案描述符後，主程式顯示地從一個狀態轉換到另一個狀態。因為程式是一個單獨的進程，所以所有的流都共用一個地址空間。

    ●線程。線程是運行在一個單一進程上下文中的邏輯流，由核心進行調度。線程可以看做是進程和I/O多工合體，像進程一樣由核心調度，像I/O多工一樣共用一個虛擬位址空間。

12.1 基於進程的並發編程

    構造並發最簡單的就是使用進程，像fork函數。例如，一個並發伺服器，在父進程中接受用戶端串連請求，然後建立一個新的字進程來為每個新用戶端提供服務。

    關於進程的優劣，對於在父、子進程間共用狀態資訊，進程有一個非常清晰的模型：共用檔案表，但是不共用使用者地址空間。進程有獨立的地址控制項愛你既是優點又是缺點。由於獨立的地址空間，所以進程不會覆蓋另一個進程的虛擬儲存空間。但是另一方面處理序間通訊就比較麻煩，至少開銷很高。

12.2基於I/O多工並發編程

    比如一個伺服器，它有兩個I/O事件：1）網路用戶端發起串連請求，2）使用者在鍵盤上鍵入命令列。我們先等待那個事件呢？沒有那個選擇是理想的。如果accept中等待串連，那麼無法相應輸入命令。如果在read中等待一個輸入命令，我們就不能響應任何串連請求（這個前提是一個進程）。

    針對這種困境的一個解決辦法就是I/O多工技術。基本思想是：使用select函數，要求核心掛起進程，只有在一個或者多個I/O事件發生後，才將控制返給應用程式。：橫向的方格可以看作是一個n位的描述符向量。現在，我們定義第0位描述是“標準輸入”，第3位描述符是“監聽描述符”。

    

I/O多工優劣：由於I/O多工是在單一進程的上下文中的，因此每個邏輯流程都能訪問該進程的全部地址空間，所以開銷比多進程低得多；缺點是編程複雜度高。

12.3基於線程的並發編程

    每個線程都有自己的線程上下文，包括一個線程ID、棧、棧指標、程式計數器、通用目的寄存器和條件碼。所有的運行在一個進程裡的線程共用該進程的整個虛擬位址空間。由於線程運行在單一進程中，因此共用這個進程虛擬位址空間的整個內容，包括它的代碼、資料、堆、共用庫和開啟的檔案。所以我認為不存線上程間通訊，線程間只有鎖的概念。

    線程執行的模型。線程和進程的執行模型有些相似。每個進程的聲明周期都是一個線程，我們稱之為主線程。但是大家要有意識：線程是對等的，主線程跟其他線程的區別就是它先執行。

    一般來說，線程的代碼和本機資料被封裝在一個線程常式中（就是一個函數）。該函數通常只有一個指標參數和一個指標傳回值。

    在Unix中線程可以是joinable（可結合）或者detached（分離）的。joinable可以被其他線程殺死，detached線程不能被殺死，它的儲存空間資源有系統自動釋放。

    線程儲存空間模型，每個線程都有它自己的獨立的線程上下文，包括線程ID、棧、棧指標、程式計數器、條件碼和通用目的寄存器。每個線程和其他線程共用剩下的部分，包括整個使用者虛擬位址空間，它是由程式碼片段、資料區段、堆以及所有的共用庫代碼和資料區域組成。不同線程的棧是對其他線程不設防的，也就是說：如果一個線程以某種方式得到一個指向其他線程的指標，那麼它可以讀取這個線程棧的任何部分。

12.4多線程中共用變數

    ●全域變數和static 變數是儲存在資料區段，所以，多線程共用之！

    ●由於線程的棧是獨立的，所有線程中的自動變數是獨立的。即使多個線程運行同一段代碼總的自動變數，那麼他們的值也是根據線程的不同而不同。

    ●比如C++中，類屬性不是在使用者棧中的。所以線程共用之！

12.5用訊號量同步線程。

    訊號量通常稱之為PV操作(發明PV操作的是荷蘭一個哥們)，雖然它的思想是將臨界代碼保護起來，達到互斥效果。這裡面作業系統使用到了線程掛起！PV操作是就不再做過多的解析。下面展示一個多線程對共用變數修改的進度圖的解釋：

 

 

現在有兩個線程thread1和thread2.那麼作業系統並行thread1 和thread2。彙編的執行順序如下（可能的順序，一共是10步）：

 H1、L1、U1、S1、T1、H2、L2、U2、S2、T2//可以得到cnt =2 

 H1、L1、U1、H2、L2、S1、T1、U2、S2、T2//得到錯誤的cnt =1

那麼，這種排列組合會有很多種情況。這十步會給我們帶來奇妙的答案。下面我們用進度圖（是一種二維笛卡爾座標系）來表達：

    黃色的地區是臨界區，綠色的軌跡是不安全的，而藍色的軌跡是安全的。線程鎖就是當線程即將進入臨界區的時候，掛起自己等待其他線程走完臨界區，自己再執行。當然，二維笛卡爾已經不能描述線程鎖的原理了。

    剩餘章節還介紹了“生產者——消費者”問題，“讀者——寫者”問題，略過。

12.6 使用線程提高並行性

12.7安全執行緒    我們編程過程中，儘可能編寫安全執行緒函數，即一個函數若且唯若被多個並發線程反覆調用時，它會一直產生正確的結果。如果做不到這個條件我們稱之為線程不安全函數。下面介紹四類線程不安全函數：    ●不保護共用變數的函數。解決辦法是PV操作。    ●保持跨越多個調用的狀態函數。比如使用靜態變數的函數。解決方案是不要使用靜態變數或者使用可讀靜態變數。    ●返回指向靜態變數的指標的函數。解決方案是lock-and-copy(枷鎖-拷貝)    ●調用線程不安全函數的函數

    死結。由於PV操作不當，可能造成死結現象。這在程式中也會出現。是很頭疼的事情。

總結

    無亂那種並發機制，同步對共用資料的並發都是一個困難的問題。該書沒有更詳細說明並行程式的過程。但是我相信：只要作業系統有掛起的功能，那麼並發的形式應該是多種多樣的！

    《深入理解電腦系統》昨天已經看完了，今天把最後一章存檔為部落格，方便以後自己查閱並加深理解，這篇是終結篇！

    縱覽該書，其重要程度不言而喻。囊括了二進位表示、彙編、指令、快取、CPU體繫結構、儲存空間、虛擬儲存空間、棧、堆、異常、進程、編譯、連結、靜態庫和動態庫、運行、網路、線程和並發。可以作為從事電腦行業著知識的基石，只恨自己大學時候沒有讀這本書。

 

原文：http://blog.csdn.net/hherima/article/details/8987813

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