《信息安全与设计》第四章学习笔记

《信息安全与设计》第四章学习笔记

第四章 并发编程

并行计算导论

• 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
  • 真正的并行执行只能在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，并发性是通过多任务处理实现的。
• 线程
  • 原理
    • 一个操作系统（OS）包含许多并发进程。
  • 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
    • 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
    • 在单CPU系统上，使用线程解决间题实际上要比使用顺序程序慢，这是由在运行时创建线程和切换上下文的系统开销造成的
• 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
    () int pthread_create (pthread_t *pthread_id,pthread_attr_t *attr, void * (*func) (void *), void *arg); ()

  • 线程ID

    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

  • 线程终止
    线程函数结束后，线程即终止，或者，线程可以调用函数int pthraad_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
    一个线程可以等待另一个线程的终止， 通过：
    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
    在 Pthread中，锁被称为互斥量，意思是相互排斥。
    • 静态方法:pthreaa—mutex_t m = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER ,定义互斥量 m, 并使用默认属性对其进行初始化。
    • 动态方法，使用 pthread_ mutex _init() 函数
    • 线程通过互斥量来保护共享数据对象
  • 死锁预防
    • 互斥量使用封锁协议。如果某线程不能获取互斥量，就会被阻塞，等待互斥量解锁后再继续。在任何封锁协议中，误用加锁可能会产生一些问题。最常见和突出的问题是死锁。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。一种简单的死锁预防方法是对互斥量进行排序，并确保每个线程只在一个方向请求互斥量，这样请求序列中就不会有循环。
  • 条件变量
    • 作为锁，互斥量仅用于确保线程只能互斥地访问临界区中的共享数据对象。条件变量提供了一种线程协作的方法。条件变量总是与互斥量一起使用。在Pthread中，使用类型pthread_cond_t来声明条件变量，而且必须在使用前进行初始化。
    • 静态方法: pthread_cond_t con= PTHREAD_COND_INITIALIZER; 定义一个条件变屾con,并使用默认属性对其进行初始化。
    • 动态方法:使用pthread_cond_init()函数，可通过attr参数设置条件变量。为简便起见，我们总是使用NULLattr参数作为默认属性。
  • 信号量
    • 信号量是进程同步的一般机制。
    • 信号量是一种数据结构:

struct sem{
  int value;
  struct process *queue
}s;   

• 屏障
  • 线程连接操作允许某线程（通常是主线程）等待其他线程终止。
  • 在pthread中可以采用的机制是屏障以及一系列屏障函数。

苏格拉底挑战

• 线程：
  
  
  
  
  
  
  
• 线程同步
  
  
  
  
  
  
  
  

遇到的困难与解决

• 问题：顺序算法与并行算法之间的区别与联系是什么，在编程中有什么用
• GPT的回答：
  

实践

• 生产者-消费者问题