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并发编程

11 min read Updated:
雏菊

多进程，I/O多路复用，线程编程，信号量，线程安全

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CMU CS15-213: CSAPP

多进程

服务器可以使用多进程来处理多个客户端的请求

  1. 父进程监听客户端请求
  2. 客户端请求到来后，父进程创建子进程来处理请求
  3. 父进程关闭connfd，子进程关闭listenfd
  4. 子进程处理完请求后，关闭connfd，退出
  5. 父进程监听到子进程退出信号，信号处理函数调用waitpid()回收子进程资源
多进程服务器-1 多进程服务器-2

I/O多路复用

I/O多路复用的核心是select()函数调用，它允许一个进程同时监听多个文件描述符的I/O事件，从而实现高效的I/O操作

select函数检查的对象是文件描述符集合，通常使用fd_set类型来表示

描述符集合是大小为nn的位向量，每一位bkb_k对应一个文件描述符kk

bk=1b_k=1表示文件描述符kk在集合中，否则不在集合中

select函数与操作描述符集合的宏如下

#include <sys/select.h>
 
int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
 
FD_ZERO(fd_set *set); // 清空集合
FD_SET(int fd, fd_set *set); // 将文件描述符fd加入集合set
FD_CLR(int fd, fd_set *set); // 将文件描述符fd从集合set中移除
FD_ISSET(int fd, fd_set *set); // 检查文件描述符fd是否在集合set中

在本节select函数只会使用前两个参数，后面3个都设为NULL

select(nfds, &readfds, NULL, NULL, NULL);

调用逻辑如下：

  1. 开始时，设置readfds集合，其中为1的位表示需要监听的文件描述符
  2. 备份readfds集合
  3. 调用select函数

select函数会一直阻塞，直到集合中标记为监听的文件描述符中有I/O事件发生

当I/O事件发生时，内核修改readfds集合，仅设置发生了I/O事件的文件描述符对应的位为1，其他位为0

select函数返回可读的文件描述符数量

  1. 进程检查readfds集合，使用FD_ISSET(fd, &readfds)判断文件描述符fd是否可读
  2. 处理可读的文件描述符，使用I/O函数进行读写操作。由于此时文件必定可读，因此I/O函数不会阻塞
  3. 处理完所有可读的文件描述符后，重新设置readfds集合，重复步骤2-5

线程编程

线程就是一串连续的指令流，有它自己的程序计数器、寄存器和栈空间，但它与同一进程的其他线程共享代码段、全局变量、虚拟内存和文件描述符等资源

线程与创建它的线程没有像父子进程一样严格的关系，它们之间是对等的

创建线程

通过调用pthread_create()函数创建线程，函数原型如下

#include <pthread.h>
typedef void *(func)(void *);
 
int pthread_create(pthread_t *tid, const pthread_attr_t *attr, func *f, void *arg);

创建的线程会执行函数f，并将arg作为参数传递给函数f

函数返回时，tid中保存了新创建线程的ID

attr参数用于设置线程的属性，一般传入NULL，表示使用默认属性

终止线程

线程有两种状态：可结合的与分离的

  • 可结合的：线程终止后必须由其他线程显式回收资源
  • 分离的：线程终止后操作系统自动回收资源

通过调用pthread_detach()函数将线程设置为分离状态，函数原型如下

#include <pthread.h>
 
int pthread_detach(pthread_t tid);

当调用pthread_exit()函数时，线程立刻终止自己

#include <pthread.h>
 
void pthread_exit(void *retval);

线程通过调用pthread_join()函数等待其他线程终止，这个函数是阻塞的，直到指定线程终止

#include <pthread.h>
 
int pthread_join(pthread_t tid, void **retval);

初始化线程

pthread_once()函数确保了整个进程中某个初始化函数只会被调用一次

#include <pthread.h>
 
pthread_once_t once_control = PTHREAD_ONCE_INIT;
 
int pthread_once(pthread_once_t *once_control, void (*init_routine)(void));

线程安全

线程共享

多线程程序中，线程共享进程的地址空间，因此它们可以直接访问共享数据

  • 全局变量：任何线程访问的全局变量都位于全局区的同一处内存
  • 函数内部static变量：只会被初始化一次，所有线程访问的都是同一块内存
  • 自动变量：每个线程都有自己的栈空间，函数内部的自动变量位于栈上，每个线程访问的都是不同的内存

进度图

线程由操作系统随机调度，可能出现由于线程切换导致的数据错误

例如将每个线程将全局变量count加1，可分为5个阶段

  1. H：初始化，线程内部操作，不访问全局变量
  2. L：加载，将全局变量count的值从内存加载到寄存器中
  3. U：线程内部寄存器操作，将寄存器中的值加1
  4. S：存储，将寄存器中的值写回内存
  5. T：尾部，线程内部操作，不访问全局变量

可以看到，L-U-S阶段理论上应该为原子的

如果线程切换导致L-U-S阶段被打断，可能会出现数据错误。例如L1L_1紧接着L2L_2，线程1，2同时读到的count的值为0，最后都写入1，导致少加了一次

将程序的执行步骤化成二维图，得到进度图

进度图

当一个线程开始执行LL，就不应该执行任何其他线程的操作，直到结束完毕SS，由此画出不安全区

不安全区

L-U-S被称为临界区，各线程临界区的交集就是不安全区，程序的执行路径不得进入不安全区

信号量

信号量提供P和V操作来实现锁的操作

  • P(s)：如果s为0，则阻塞当前线程，否则将s减1
  • V(s)：将s加1，如果有线程阻塞在s上，则唤醒其中随机一个线程

将P,V操作包裹临界区，信号量初始化为1，就可以实现互斥锁的功能，过程如下

  1. 线程1调用P(s)，此时s为1，则将s减1，进入临界区
  2. 线程2调用P(s)，此时s为0，则阻塞线程2
  3. 线程1执行完临界区代码后，调用V(s)，将s加1，并唤醒线程2
  4. 线程2执行，同时上锁

如此保证了同一时刻只有一个线程进入临界区，避免了数据错误的发生

信号量实现互斥

线程问题

线程不安全函数

线程不安全函数是指在多线程环境下可能会出现数据错误的函数

可以归类为4类

  • 不保护全局变量：函数内部使用了全局变量，导致多个线程同时访问同一块内存
  • 调用与状态有关：函数调用的结果取决于前一次的调用，多线程随机调用不符合函数预期
  • 返回变量指向静态存储区：函数返回的变量指向静态存储区，多个线程同时访问同一块内存
  • 调用非线程安全函数：函数内部调用了非线程安全函数

死锁

死锁表现为多个线程互相等待对方释放资源，导致所有线程都无法继续执行

例如定义两个互斥锁s，t

线程1执行P(s)，然后执行P(t)

线程2执行P(t)，然后执行P(s)

如果线程1执行P(s)后，线程2执行P(t)，则线程1阻塞在s上，线程2阻塞在t上，两个线程都无法继续执行，形成死锁

死锁进度图

由进度图可以看出，进入死锁区域之后，上面与右边都是禁止区，无法继续执行

解决死锁的一个方法是合理设置锁的顺序，例如线程1和线程2都先执行P(s)，然后再执行P(t)，释放以相反的顺序，则不会出现死锁

死锁解决进度图