《信息安全系统设计与实现》第八周学习笔记

第四章并发编程

并行计算

尝试使用多个执行并行算法的处理器更快速的解决问题

顺序算法与并行算法
- 顺序算法：所有步骤通过单个任务依次执行，每次执行一个步骤，当所有步骤执行完成时，算法结束。
- 并行算法：cobegin-coend代码块来指定独立任务，所有任务都是并行执行的，紧接着代码块的下一个步骤将只在所有这些任务完成之后执行。
并行性与并发性
- 在理想情况下，并行算法中的所有任务都应该同时实时执行。
- 真正的并行执行只能在有多个处理组件的系统中实现，比如多处理器或多核系统。
- 在单CPU系统中，一次只能执行一个任务。在这种情况下，不同的任务只能并发执行，即在逻辑上并行执行。

线程

线程的原理
- 线程是某进程同一地址空间上的独立执行单元。创建某个进程就是在一个唯一地址空间创建一个主线程。当某进程开始时，就会执行该进程的主线程。
线程的优点
- 线程创建和切换速度更快
- 线程的响应速度更快
- 线程更适合并行运算
线程的缺点
- 由于地址空间共享，线程需要来自用户的明确同步。
- 许多库函数可能对线程不安全。通常，任何使用全局变量或依赖于静态内存内容的函数，线程都不安全。
- 在单CPU系统上，使用线程解决问题实际上要比使用顺序程序慢。

线程操作

线程的执行轨迹与进程类似，线程可在内核模式或用户模式下执行。
在用户模式下，线程在进程的相同地址空间中执行，但每个线程都有自己的执行堆栈。

线程管理函数

创建线程
- 使用pthread_create()
  - int pthread_create(pthread_t *pthread_id,pthread_attr_t *attr,void *(*func)(void*),void *arg)
- attr 参数的使用步骤。
  - (1)定义一个pthread属性变量pthread attr tattr。
  - (2)用pthread attrinit (&attr)初始化属性变量。
  - (3)设置属性变量并在pthread create0)调用中使用。
  - (4)必要时，通过pthread attr destroy (&attr)释放attr 资源。
线程ID
- int pthread_equal(pthread_t t1,pthread_t t2);
  
  如果是不同的线程，返回0，否则返回非0
线程终止
- int pthread_exit(void *status)；
  
  进行显式终止，其中状态是线程的退出状态。
线程连接
- int pthread_join(pthread_t thread,void **status_ptr)
  
  终止线程的退出状态以status_ptr返回。

线程同步

互斥量
- 最简单的同步工具是锁，它允许执行实体仅在有锁的情况下才能继续执行。在 Pthread中，锁被称为互斥量，意思是相互排斥。
- 静态方法
- 动态方法
死锁预防
- 互斥量使用封锁协议。
- 在任何封锁协议中，误用加锁可能会产生一些问题。
- 死锁是一个状态，在这种状态下，许多执行实体相互等待，无法继续进行下去.
条件变量
- 静态方法
- 动态方法
生产者-消费者问题
- 共享全局变量：
  - ```
  int buf[NBUF];
  int head,tail;
  int data;
```
信号量
- 信号量是进程同步的一般机制。
- 在使用信号量之前，必须使用一个初始值和一个空等待队列进行初始化。
屏障
- 在 Pthreads中，可以采用的机制是屏障以及一系列屏障函数。
用并发线程解线性方程组
Linux中的线程
- Linux不区分进程和线程。
- 对于Linux内核，线程只是一个与其他进程共享某些资源的进程。
- 在 Linux 中，进程和线程都是由 clone（）系统调用创建的：
  - int clone(int (*fn)(void*),void *child_stack,int flags,void *arg)

实践

生产者-消费者问题

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#define NBUF 5
#define N	10
// shared global variables 
int buf[NBUF];	// circular buffers
int head, tail;	// indices
int data;	// number of full buffers
pthread_mutex_t mutex; 
pthread_cond_t empty, full;

int init()
{
    head = tail = data = 0; 
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL); 
    pthread_cond_init(&full, NULL); 
    pthread_cond_init(&empty, NULL);
}

void *producer() 
{
    int i;
    pthread_t me = pthread_self();
    for (i=0; i<N; i++) // try to put N items into buf[]
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);	// lock mutex
        if (data == NBUF)
        {
            printf ("producer %lu： all bufs FULL： wait\n", me);
            pthread_cond_wait(&empty, &mutex); // wait
        }
        buf[head++] = i+1;
        head %= NBUF;
        data++;
        printf("producer %lu： data=%d value=%d\n", me, data, i+1);
        pthread_mutex_unlock (&mutex); 
        pthread_cond_signal(&full);
    }
    printf("producer %lu: exit\n", me);
}

void *consumer()
{
    int i, c;
    pthread_t me = pthread_self();
    for (i=0; i<N; i++)
    {
        pthread_mutex_lock(&mutex);	// lock mutex
        if (data == 0)
        {
            printf ("consumer %lu: all bufs EMPTY: wait\n", me); 
            pthread_cond_wait(&full, &mutex); // wait
        }
        c = buf[tail++];	// get an item
        tail %= NBUF;
        data--;	// dec data by 1
        printf("consumer %lu： value=%d\n", me, c); 
        pthread_mutex_unlock(&mutex);	// unlock mutex
        pthread_cond_signal(&empty);	// unblock a producer, if any
    }
    printf("consumer %lu: exit\n", me);
}

int main ()
{
    pthread_t pro, con;
    init();
    printf("main： create producer and consumer threads\n");
    pthread_create(&pro, NULL, producer, NULL);
    pthread_create(&con, NULL, consumer, NULL);
    printf("main: join with threads\n");
    pthread_join(pro, NULL);
    pthread_join(con, NULL);
    printf("main: exit\n");
}

用线程快速排序

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#define N 10
typedef struct{
    int upperbound;
    int lowerbound;
}PARM;

int A[N]={5,1,6,4,7,2,9,8,0,3};

int print()	
{
    int i;
    printf("[ ");
    for (i=0; i<N; i++)
    {
        printf("%d ", A[i]);
    }
    printf("]\n");
}

void *qsort_1(void *aptr)
{
    PARM *ap, aleft, aright;
    int pivot, pivotIndex, left, right, temp; 
    int upperbound, lowerbound;

    pthread_t me, leftThread, rightThread; 
    me = pthread_self();
    ap = (PARM *)aptr; 
    upperbound = ap->upperbound; 
    lowerbound = ap->lowerbound;
    pivot = A[upperbound]; 
    left = lowerbound - 1; 
    right = upperbound;
    if (lowerbound >= upperbound) 
        pthread_exit(NULL);

    while (left < right) 
    {
        do { left++;} while (A[left] < pivot);
            do { right--;}while (A[right] > pivot);
        if (left < right )
        {
            temp = A[left]; 
            A[left] = A[right];
            A[right] = temp;
        }
    }
    print();
    pivotIndex = left; 
    temp = A[pivotIndex]; 
    A[pivotIndex] = pivot; 
    A[upperbound] = temp;
    aleft.upperbound = pivotIndex - 1;
    aleft.lowerbound = lowerbound; 
    aright.upperbound = upperbound; 
    aright.lowerbound = pivotIndex + 1; 
    printf("%lu： create left and right threads\n", me);
    pthread_create(&leftThread, NULL, qsort_1, (void *)&aleft);
    pthread_create(&rightThread, NULL, qsort_1, (void *)&aright);// wait for left and right threads 
    pthread_join(leftThread, NULL); 
    pthread_join(rightThread, NULL); 
    printf("%lu: joined with left & right threads\n", me);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
    PARM arg;
    int i, *array; 
    pthread_t me, thread; 
    me = pthread_self();
    printf("main %lu: unsorted array =" ,me);
    print();
    arg.upperbound = N-1;
    arg.lowerbound = 0;
    printf("main %lu create a thread to do QS\n", me);
    pthread_create(&thread, NULL, qsort_1, (void *)&arg); // wait for QS thread to finish 
    pthread_join(thread, NULL);
    printf("main %lu sorted array = ", me); 
    print();
}