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20145235《信息安全系统设计基础》第13周学习总结

2024-08-26 14:39:43 219人阅读

过程抽象

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接口

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实现

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函数签名

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万能函数

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多线程

单线程

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当运行老师给的代码hello_single.c的时候，发现和老师的运行结果不一样，也没有感受到函数级并发，然而当我把技术分享这个代码删除之后，就明白了函数级并发了，没删之前运行结果为：每个一秒打出一个字符串，共进行10秒；删除之后：前4秒什么都没有输出字符串，最后1秒一下子打出了5个hello。之后5秒每隔一秒就打印出一个world。这个时候我就明白什么函数级并发了，第一次调用函数时，5个hello每隔1秒进入缓冲区，当程序调用结束后一下子打印出来，第二次调用时，因为有换行符，每隔一秒就打印出一个world。

多线程

多线程-终止

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多线程-互斥

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多线程-同步

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线程与进程

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代码运行：

condvar.c

#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct _msg{
    struct _msg * next;
    int num;
} msg;

msg *head;
pthread_cond_t has_product = PTHREAD_COND_INITIALIZER;
pthread_mutex_t lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *consumer ( void * p )
{
    msg * mp;

    for( ;; ) {
        pthread_mutex_lock( &lock );
        while ( head == NULL )
            pthread_cond_wait( &has_product, &lock );
        mp = head;
        head = mp->next;
        pthread_mutex_unlock ( &lock );
        printf( "Consume %d tid: %d\n", mp->num, pthread_self());
        free( mp );
        sleep( rand() % 5 );
    }
}

void *producer ( void * p )
{
    msg * mp;
    for ( ;; ) {
        mp = malloc( sizeof(msg) );
        pthread_mutex_lock( &lock );
        mp->next = head;
        mp->num = rand() % 1000;
        head = mp;
        printf( "Produce %d tid: %d\n", mp->num, pthread_self());
        pthread_mutex_unlock( &lock );
        pthread_cond_signal( &has_product );
        sleep ( rand() % 5);
    }
}

int main(int argc, char *argv[] )
{
    pthread_t pid1, cid1;
    pthread_t pid2, cid2;
    srand(time(NULL));
    pthread_create( &pid1, NULL, producer, NULL);
    pthread_create( &pid2, NULL, producer, NULL);
    pthread_create( &cid1, NULL, consumer, NULL);
    pthread_create( &cid2, NULL, consumer, NULL);
    pthread_join( pid1, NULL );
    pthread_join( pid2, NULL );
    pthread_join( cid1, NULL );
    pthread_join( cid2, NULL );
    return 0;
}

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在pthread库中通过条件变量(Condition Variable)来阻塞等待一个条件，或者唤醒等待这个条件的线程。
线程间同步的一种情况：线程A需要等某个条件成立才能继续往下执行，现在这个条件不成立，线程A就阻塞等待，而线程B在执行过程中使这个条件成立了，就唤醒线程A继续执行。
从代码中可以看到，mutex用于保护资源，wait函数用于等待信号，signal函数用于通知信号。其中wait函数中有一次对mutex的释放和重新获取操作，因此生产者和消费者并不会出现死锁。

count.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#define NLOOP 5000
int counter;
void *doit( void * );
int main(int argc, char **argv)
{
    pthread_t tidA, tidB;

    pthread_create( &tidA ,NULL, &doit, NULL );
    pthread_create( &tidB ,NULL, &doit, NULL );

    pthread_join( tidA, NULL );
    pthread_join( tidB, NULL );

    return 0;
}
void * doit( void * vptr)
{
    int i, val;

    for ( i=0; i<NLOOP; i++ ) {
        val = counter++;
        printf("%x: %d \n", (unsigned int) pthread_self(), val + 1);
        counter = val + 1;
    }

}

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因为资源是共享的，所以访问资源会发生冲突，导致输出值是5001，不是10000。所以代码应该引入互斥锁。获得锁的线程可以完成”读-修改-写”的操作，然后释放锁给其它线程，没有获得锁的线程只能等待而不能访问共享资源。

countwithmutex.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>

#define NLOOP 5000

int counter;

pthread_mutex_t counter_mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *doit( void * );

int main(int argc, char **argv)
{
    pthread_t tidA, tidB;

    pthread_create( &tidA ,NULL, &doit, NULL );
    pthread_create( &tidB ,NULL, &doit, NULL );

    pthread_join( tidA, NULL );
    pthread_join( tidB, NULL );

    return 0;
}

void * doit( void * vptr)
{
    int i, val;

    for ( i=0; i<NLOOP; i++ ) {
        pthread_mutex_lock( &counter_mutex );
        val = counter++;
        printf("%x: %d \n", (unsigned int) pthread_self(), val + 1);
        counter = val + 1;
        pthread_mutex_unlock( &counter_mutex );
    }
    return NULL;
}

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加了互斥锁，结果便为10000.。所以在今后的多线程编程中，如果牵扯到两个线程同时访问共享资源时，必须要引入互斥锁。

createthread.c

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

pthread_t ntid;

void printids( const char *s )
{
    pid_t pid;
    pthread_t tid;

    pid = getpid();
    tid = pthread_self();
    printf("%s pid %u tid %u (0x%x) \n", s , ( unsigned int ) pid,
                ( unsigned int ) tid, (unsigned int ) tid);
}

void *thr_fn( void * arg )
{
    printids( arg );
    return NULL;
}

int main( void )
{
    int err;

    err = pthread_create( &ntid, NULL, thr_fn, "new thread: " );
    if ( err != 0 ){
        fprintf( stderr, "can‘t create thread: %s\n", strerror( err ) );
        exit( 1 );
    }
    printids( "main threads: " );
    sleep(1);
    return 0;
}

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程序打印出了进程ID和线程的ID。

semphore.c

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>
#include <semaphore.h>

#define NUM 5
int queue[NUM];
sem_t blank_number, product_number;

void *producer ( void * arg )
{
    static int p = 0;

    for ( ;; ) {
        sem_wait( &blank_number );
        queue[p] = rand() % 1000;
        printf("Product %d \n", queue[p]);
        p = (p+1) % NUM;
        sleep ( rand() % 5);
        sem_post( &product_number );
    }
}
void *consumer ( void * arg )
{

    static int c = 0;
    for( ;; ) {
        sem_wait( &product_number );
        printf("Consume %d\n", queue[c]);
        c = (c+1) % NUM;
        sleep( rand() % 5 );
        sem_post( &blank_number );
    }
}

int main(int argc, char *argv[] )
{
    pthread_t pid, cid;
    
    sem_init( &blank_number, 0, NUM );
    sem_init( &product_number, 0, 0);
    pthread_create( &pid, NULL, producer, NULL);
    pthread_create( &cid, NULL, consumer, NULL);
    pthread_join( pid, NULL );
    pthread_join( cid, NULL );
    sem_destroy( &blank_number );
    sem_destroy( &product_number );
    return 0;
}

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semaphore表示信号量，semaphore变量的类型为sem_t，sem_init()初始化一个semaphore变量，value参数表示可用资源的数量，pshared参数为0表示信号量用于同一进程的线程间同步。在用完semaphore变量之后应该调用sem_destroy()释放与semaphore相关的资源。调用sem_wait()可以获得资源，使semaphore的值减1，如果调用sem_wait()时semaphore的值已经是0，则挂起等待。如果不希望挂起等待，可以调用sem_trywait()。调用sem_post()可以释放资源，使semaphore的值加1，同时唤醒挂起等待的线程。

share.c

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
char buf[BUFSIZ];

void *thr_fn1( void *arg )
{
    printf("thread 1 returning %d\n", getpid());
    printf("pwd:%s\n", getcwd(buf, BUFSIZ));
    *(int *)arg = 11;
    return (void *) 1;
}

void *thr_fn2( void *arg )
{
    printf("thread 2 returning %d\n", getpid());
    printf("pwd:%s\n", getcwd(buf, BUFSIZ));
    pthread_exit( (void *) 2 );
}

void *thr_fn3( void *arg )
{
    while( 1 ){
        printf("thread 3 writing %d\n", getpid());
        printf("pwd:%s\n", getcwd(buf, BUFSIZ));
        sleep( 1 );
    }
}
int n = 0;

int main( void )
{
    pthread_t tid;
    void *tret;

    pthread_create( &tid, NULL, thr_fn1, &n);
    pthread_join( tid, &tret );
    printf("n= %d\n",  n );
    printf("thread 1 exit code %d\n", (int) tret );

    pthread_create( &tid, NULL, thr_fn2, NULL);
    pthread_join( tid, &tret );
    printf("thread 2 exit code %d\n", (int) tret );
    
    pthread_create( &tid, NULL, thr_fn3, NULL);
    sleep( 3 );
    pthread_cancel(tid);
    pthread_join( tid, &tret );
    printf("thread 3 exit code %d\n", (int) tret );
    
}

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代码主要是为了获得线程的终止状态，thr_fn 1，thr_fn 2和thr_fn 3三个函数对应终止线程的三种方法，即从线程函数return，调用pthread_exit终止自己和调用pthread_cancel终止同一进程中的另一个线程。

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countwithmutex.c

createthread.c

semphore.c

share.c

看完仍有疑问？有类似问题直接问程序猿