首页 > 其他分享 >信息安全系统设计与实现第四章学习笔记

信息安全系统设计与实现第四章学习笔记

时间:2023-10-22 18:34:15浏览次数:35  
标签:attr 信息安全 笔记 死锁 线程 pthread 进程 执行 第四章

一、知识点归纳

1. 并发计算导论

在早期,大多数计算机只有一个处理组件,称为处理器或中央处理器(CPU)。受这种硬件条件的限制,计算机程序通常是为串行计算编写的。要求解某个问题,先要设计一种算法,描述如何一步步地解决问题,然后用计算机程序以串行指令流的形式实现该算法。在只有一个CPU的情况下,每次只能按顺序执行某算法的一个指令和步骤。但是,基于分治原则(如二叉树查找和快速排序等)的算法经常表现出高度的并行性,可通过使用并行或并发执行来提高计算速度。并行计算是一种计算方案,它尝试使用多个执行并行算法的处理器更快速地解决问题。过去,由于并行计算对计算资源的大量需求,普通程序员很少能进行并行计算。近年来,随着多核处理器的出现,大多数操作系统(如Linux)都支持对称多处理(SMP)。甚至对于普通程序员来说,并行计算也已经成为现实。显然,计算的未来发展方向是并行计算。

1.1顺序算法与并行算法

在描述顺序算法时,常用的方法是用一个begin-end代码块列出算法。begin-end代码块中的顺序算法可能包含多个步骤。所有步骤都是通过单个任务依次执行的,每次执行一个步骤。当所有步骤执行完成时,算法结束。

相反, 并行算法的描述使用cobegin-coend代码块来指定并行算法的独立任务。在cobegin-coend块中,所有任务都是并行执行的,紧接着cobegin-coend代码块的下一个步骤将只在所有这些任务完成之后执行。

1.2并行性与并发性

通常,并行算法只识别可并行执行的任务,但是它没有规定如何将任务映射到处理组件。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。然而,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。在单CPU系统中,并发性是通过多任务处理来实现的。

2. 线程

2.1线程的原理

一个操作系统(OS)包含许多并发进程。在进程模型中,进程是独立的执行单元。所有进程均在内核模式或用户模式下执行。在内核模式下,各进程在唯一地址空间上执行,与其他进程是分开的。虽然每个进程都是一个独立的单元,但是它只有一个执行路径。当某进程必须等待某事件时,例如I/O完成事件,它就会暂停,整个进程会停止执行。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。如果只有一个主线程,那么进程和线程实际上并没有区别。但是,主线程可能会创建其他线程。每个线程又可以创建更多的线程等。某进程的所有线程都在该进程的相同地址空间中执行,但每个线程都是一个独立的执行单元。在线程模型中,如果一个线程被挂起,其他线程可以继续执行。除了共享共同的地址空间之外,线程还共享进程的许多其他资源,如用户id、打开的文件描述符和信号等。打个简单的比方,进程是一个有房屋管理员(主线程)的房子,线程是住在进程房子里的人。房子里的每个人都可以独立做自己的事情,但是他们会共用一些公用设施,比如同一个信箱、厨房和浴室等。过去,大多数计算机供应商都是在自己的专有操作系统中支持线程。不同系统之间的实现有极大的区别。目前,几乎所有的操作系统都支持Pthread,它是IEEE POSIX 1003.1c的线程标准(POSIX 1995)。

2.2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
  • 线程更适合并行计算

2.3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,例如传统的strtok()函数将一个字符串分成一连串令牌。通常,任何使用全局变量或依赖于静态内存内容的函数都是线程不安全的。为了使库函数适应线程环境,还需要做大量的工作。
  • 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,这是由于在运行时创建线程和切换上下文的系统开销造成的。

3. 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。线程是独立的执行单元,可根据操作系统内核的调度策略,对内核进行系统调用,变为挂起、激活以继续执行等。为了利用线程的共享地址空间,操作系统内核的调度策略可能会优先选择同一进程中的线程,而不是不同进程中的线程。

4. 线程管理函数

Pthread库提供了用于线程管理的以下API:

  • pthread_create(thread, attr, function, arg): 创建线程
  • pthread_exit(status): 终止线程
  • pthread_cancel(thread): 取消线程
  • pthread_attr_init(attr): 初始化线程属性
  • pthread_attr_destroy(attr): 销毁线程属性

4.1创建线程

使用pthread_create()函数创建线程:

int pthread_create(pthread_t *pthread_id, pthread_attr_t *attr, void *(*func)(void *), void *arg);

如果成功则返回0,如果失败则返回错误代码。pthread_create()函数的参数为:

  • pthread_id是指向pthread_t类型变量的指针,用于存储线程的ID。
  • attr是指向线程属性的指针,可以为NULL表示使用默认属性。
  • func是要执行的新线程函数的入口地址。
  • arg是指向线程函数参数的指针。

线程属性参数attr最复杂,可以使用pthread_attr_init()函数进行初始化,并设置属性,最后通过pthread_attr_destroy()函数释放资源。通常情况下,可以使用NULL作为属性参数,以使用默认属性。

4.2线程ID

线程ID是一种不透明的数据类型,取决于实现情况,因此不应该直接比较线程ID。如果需要比较线程ID,可以使用pthread_equal()函数进行比较:

int pthread_equal(pthread_t t1, pthread_t t2);

如果是不同的线程,则返回0,否则返回非0。

4.3线程终止

线程函数结束后,线程即终止,或者线程可以调用pthread_exit()函数进行显式终止,其中状态是线程的退出状态。通常,0表示正常终止,非0值表示异常终止。

4.4线程连接

一个线程可以等待另一个线程的终止,通过pthread_join()函数进行连接,同时终止线程的退出状态以status_ptr返回。

5. 线程同步

由于线程在进程的同一地址空间中执行,它们共享同一地址空间中的所有全局变量和数据结构。当多个线程试图修改同一共享变量或数据结构时,如果修改结果取决于线程的执行顺序,则称之为竞态条件。在并发程序中,绝不能有竞态条件,否则结果可能不一致。除了连接操作之外,并发执行的线程通常需要相互协作。为了防止出现竞态条件并且支持线程协作,线程需要同步。通常,同步是一种机制和规则,用于确保共享数据对象的完整性和并发执行实体的协调性。它可以应用于内核模式下的进程,也可以应用于用户模式下的线程。

5.1互斥量

互斥量是最简单的同步工具,它允许执行实体仅在有锁的情况下才能继续执行。在Pthread中,互斥量被称为“互斥量”,意思是相互排斥。互斥变量是用pthread_mutex_t类型声明的,在使用之前必须对它们进行初始化。互斥量可以通过静态方法或动态方法进行初始化。

5.2死锁预防

死锁是一种状态,在这种状态下,许多执行实体相互等待,因此都无法继续下去。有多种方法可以解决可能的死锁问题,其中包括死锁预防、死锁规避、死锁检测和恢复等。在实际系统中,唯一可行的方法是死锁预防,试图在设计并行算法时防止死锁的发生。

5.3条件变量

条件变量提供了一种线程协作的方法。在Pthread中,使用类型pthread_cond_t来声明条件变量,必须在使用前进行初始化。条件变量可以通过静态方法或动态方法进行初始化。

5.4屏障

屏障允许一组线程等待彼此达到某个同步点,然后一起继续执行。屏障可以用来控制线程的并行性,确保某些操作在所有线程都准备好之后才执行。在Pthreads中,可以使用pthread_barrier_t来创建和使用屏障。
创建屏障步骤:

  • 主线程创建一个屏障对象pthread_barrier_t barrier;
  • 调用pthread_barrier_init(&barrier NULL, nthreads);,用屏障中同步的线程数字对它进行初始化
  • 工作线程使用pthread_barrier_wait(&barrier)在屏障中等待指定数量的线程到达屏障

二、ChatGpt提问







三、实践及代码托管

用线程快速排序

代码已托管至gitee,链接:https://gitee.com/wang-yuxuan333/123.git
具体详见线程快速排序.txt

四、问题及解决

代码中使用的qsort函数,已经被C标准库中的 qsort 函数占用,询问ChatGpt后得知,修改函数名,最终编译成功。

标签:attr,信息安全,笔记,死锁,线程,pthread,进程,执行,第四章
From: https://www.cnblogs.com/wyx235300/p/17707856.html

相关文章

  • 学习笔记6
    第三章Unix/Linux进程管理多任务处理多任务处理指的是同时进行几项独立活动的能力这种逻辑并行性称为“并发”多任务处理是所有操作系统的基础进程的概念进程是对映像的执行如下是一个非常简单的PROC结构体:next是指向下一个PROC结构体的指针ksp保存的堆栈指针pid是......
  • 第三章学习笔记
    第三章学习笔记一、Linux进程管理1.多任务处理在计算机技术中,多任务处理指的是同时执行几个独立的任务。在单处理器(单CPU)系统中,一次只能执行一个任务。多任务处理是通过在不同任务之间多路复用CPU的执行时间来实现的,即将CPU执行操作从一个任务切换到另一个任务。不同任务之......
  • Go笔记(3)-3种go语言的键盘输入详解
    go语言的键盘输入详解go语言中有三种输入函数,分别是:fmt.Scanf()可以按照指定的格式进行输入fmt.Scanln()通过指针将值赋值给变量fmt.Scan()(1)fmt.ScanScan从标准输入扫描文本,读取空白符分隔的值保存到传递给本函数的参数中,将换行符视为空白符使用......
  • 学习笔记6
    关于知识点知识点归纳第三章Unix/Linux进程管理3.1多任务处理一般来说,多任务处理指的是同时进行几项独立活动的能力。计算机科学中的多任务处理:操作系统:多任务处理是操作系统的核心功能之一,它允许多个程序在同一台计算机上并行运行,提高了资源利用率。多线程:多线程是在......
  • 学习笔记6
    知识点总结:多任务处理:多任务处理是操作系统的一个关键特性,它允许多个进程并发运行。操作系统的多任务处理提供了更好的系统利用率,因为它能够在同一时间内运行多个进程,而不仅仅是一个。多任务处理有助于提供更好的响应时间,因为它允许用户交互并同时运行多个应用程序。进程:......
  • yzy第六周学习笔记
    第六周学习笔记多任务处理在计算机技术中,多任务处理指的是同时执行几个独立的任务。在单处理器(单CPU)系统中,一次只能执行一个任务。多任务处理是通过在不同任务之间多路复用CPU的执行时间来实现的,即将CPU执行操作从一个任务切换到另一个任务。不同任务之间的执行切换机制称为上......
  • 第四章:矩阵简介
    第四章:矩阵简介矩阵在3D数学中具有根本意义上的重要性,它们通过定义将矢量从一个坐标空间转换为另一个坐标空间。1.矩阵的数学定义对于具有r行和c列的矩阵,称为\(r\timesc\)矩阵,当希望引用矩阵中的各个元素时,将使用下标表示法。以\(3\times3\)矩阵为例:像上述那样,有相同......
  • 第七周Linux教材第三章学习笔记——Unix/Linux进程管理
    Unix/Linux进程管理3.1多任务处理在计算机技术中,多任务处理指的是同时执行几个独立的任务。多任务处理是通过在不同任务之间多路复用CPU的执行时间来实现的,即将CPU执行操作从一个任务切换到另一个任务。不同任务之间的执行切换机制称为上下文切换,将一个任务的执行环境更改为另......
  • 2023/10/21 学习笔记
    vrrp与DHCPvrrp报文协议advertisement(心跳线)--目的ip地址224.0.0.18,目的mac地址01-00-5e-00-00-122,协议号是112.状态机:(优先级0-255) 默认0-2550代表主要退出255代表有设备和虚拟ip冲突可手动配置1-254优先级相同会比较接口地址大的优先优先级默认为10......
  • 信息安全系统设计与实现学习笔记6
    自学笔记6-重点总结1.Unix/Linux进程管理进程是对映像的执行。进程的产生是通过执行一个程序或指令,将程序加载到内存中成为一个独立的实体,并分配一个唯一的PID。子进程与父进程的关系:在bash中再调用bash时,会形成父子关系。注意要正确处理父进程生成子进程后的情况。......