第十三章 并发编程

TIP

TODO 但是优先级靠后

如果逻辑控制流在时间上重叠，那么它们就是并发的（concurrent）。这种常见的现象称为并发（concurrency），出现在计算机系统的许多不同层面上。

使用应用级并发的应用程序称为并发程序（concurrent program）。现代操作系统提供了三种基本的构造并发程序的方法：

• 进程。用这种方法，每个逻辑控制流都是一个进程，由内核来调度和维护。因为进程有独立的虚拟地址空间，想要和其他流通信，控制流必须使用某种显式的进程间通信
• I/O 多路复用。在这种形式的并发编程中，应用程序在一个进程的上下文中显式地调度它们自己的逻辑流。逻辑流被模型化为状态机，数据到达文件描述符后，主程序显式地从一个状态转换到另一个状态。因为程序是一个单独的进程，所以所有的流都共享同一个地址空间。
• 线程。线程是运行在一个单一进程上下文中的逻辑流，由内核进行调度。你可以把线程看成是其他两种方式的混合体，像进程流一样由内核进行调度，而像 I/。多路复用流一样共享同一个虚拟地址空间。

13.1 基于进程的并发编程

构造并发程序最简单的方法就是用进程，使用那些大家都很熟悉的函数，像 fork、exec 和 waitpid。例如，一个构造并发服务器的自然方法就是，在父进程中接受客户端连接请求，然后创建一个新的子进程来为每个新客户端提供服务。

13.2 基于 I/O 多路复用的并发编程

如果在 accept 中等待一个连接请求，我们就不能响应输入的命令。类似地，如果在 read 中等待一个输入命令，我们就不能响应任何连接请求。

针对这种困境的一个解决办法就是 I/O 多路复用（I/O multiplexing）技术。

基本的思路就是使用 select 函数，要求内核挂起进程，只有在一个或多个I/O 事件发生后，才将控制返回给应用程序

典型的基于 IO 多路复用技术进行并发编程的一大实践就是 Node.js

13.3 基于线程的并发编程

在第一种方法中，我们为每个流使用了单独的进程。内核会自动调度每个进程. 而每个进程有它自己的私有地址空间，这使得流共享数据很困难。

在第二种方法中，我们创建自己的逻辑流，并利用 I/O 多路复用来显式地调度流。因为只有一个进程，所有的流共享整个地址空间。

本节介绍第三种方法——基于线程，它是这两种方法的混合。

线程（thread）就是运行在进程上下文中的逻辑流。

线程由内核自动调度。每个线程都有它自己的线程上下文（thread context），包括一个唯一的整数线程 ID（Thread ID，TID）、栈、栈指针、程序计数器、通用目的寄存器和条件码。所有的运行在一个进程里的线程共享该进程的整个虚拟地址空间。

13.4 多线程程序中的共享变量

13.5 用信号量同步线程

13.6 使用线程提高并行性

13.7 其他并发问题

13.8 小结

一个并发程序是由在时间上重叠的一组逻辑流组成的。在这一章中，我们学习了三种不同的构建并发程序的机制：进程、I/O 多路复用和线程。我们以一个并发网络服务器作为贯穿全章的应用程序。

进程是由内核自动调度的，而且因为它们有各自独立的虚拟地址空间，所以要实现共享数据，必须要有显式的 IPC 机制。

事件驱动程序创建它们自己的并发逻辑流，这些逻辑流被模型化为状态机，用 I/O 多路复用来显式地调度这些流。因为程序运行在一个单一进程中，所以在流之间共享数据速度很快而且很容易。

线程是这些方法的混合。同基于进程的流一样，线程也是由内核自动调度的。同基于 I/O 多路复用的流一样，线程是运行在一个单一进程的上下文中的，因此可以快速而方便地共享数据。

无论哪种并发机制，同步对共享数据的并发访问都是一个困难的问题。提出对信号量的 P 和 V 操作就是为了帮助解决这个问题。

信号量操作可以用来提供对共享数据的互斥访问，也对诸如生产者—消费者程序中有限缓冲区和读者—写者系统中的共享对象这样的资源访问进行调度。一个并发预线程化的 echo 服务器提供了信号量使用场景的很好的例子。

并发也引入了其他一些困难的问题。被线程调用的函数必须具有一种称为线程安全的属性。我们定义了四类线程不安全的函数，以及一些将它们变为线程安全的建议。

可重入函数是线程安全函数的一个真子集，它不访问任何共享数据。可重入函数通常比不可重入函数更为有效，因为它们不需要任何同步原语。

竞争和死锁是并发程序中出现的另一些困难的问题。当程序员错误地假设逻辑流该如何调度时，就会发生竞争。当一个流等待一个永远不会发生的事件时，就会产生死锁。