併發程式設計

    在異常控制流提過，如果邏輯控制流在時間上是重疊的，那麼它們就是併發的。併發出現在計算機不同層面上，編寫併發程式也是程式設計師必不可少的技能，面試同樣必問併發相關知識。

    現代作業系統提供了基於三種基本的構造併發程式的方法。分別為：程式、I/O 多路複用和執行緒。

    基於程式的併發程式設計方法很簡單，使用我們很熟悉的fork、exec、waitpid等函式就可以了。比如構造一個併發伺服器的方法就是，在父程式中接受客戶端的請求，然後建立一個新的子程式來為每個客戶端提供服務。

    因為程式有獨立的地址空間，所以不會出現程式不小心覆蓋另一個程式虛擬記憶體的情況，這是一個顯著的優點。但獨立地址空間也讓不同程式之間共享資訊變得更加困難。

    考慮下面一種場景，伺服器也能對使用者從標準輸入鍵入的互動命令做出響應，那伺服器就必須響應兩個相互獨立的 I/O 事件：1）客戶端連線請求，2）使用者鍵入命令列。我們無法選擇應該等待哪個事件，因為等待其中一個就不能響應另一個事件，所以就有了 I/O 多路技術。

    其基本思路就是使用select函式，要求核心掛起程式，只有在一個或多個 I/O 事件發生後，才將控制返回給應用程式。

    該技術可以用作併發事件驅動程式的基礎，在事件驅動程式中某些事件會導致流向前推進（比如 web 前端程式），一般思路是將邏輯流轉換為狀態機（去查編譯原理），某些事件會導致從一個狀態轉移到另一個狀態。

    如果使用程式併發實現上面的場景，那可能就需要兩個程式分別監聽兩個事件，而使用 I/O 多路複用技術的程式時執行在單一程式上下文中，因此每個邏輯流都能訪問全部該程式全部的地址空間，也就是說共享資料變得很容易，但是事件驅動要比基於程式更加複雜，而且隨著併發粒度的減小，複雜性還會上升。另外如果某個邏輯流正忙於讀一個文字行，那麼其它邏輯流就不會有進展，這防不住惡意客戶端的攻擊。

    執行緒同時結合了前面兩種方法。執行緒是執行在程式上下文的邏輯流，它有自己的棧、棧指標、程式計數器等，但是共享這個程式虛擬空間的所有內容，包括堆、程式碼、資料、共享庫及開啟檔案。

    下面是多執行緒執行模型，每個程式開始生命週期時都是單一執行緒，稱之為主執行緒，在某一時刻主執行緒建立一個對等執行緒，從這個時間點開始，兩個執行緒就併發地執行。

    併發程式最大的問題就是同步，我們使用進度圖來表示。將 n 個併發執行緒的執行模型化一條 n 維笛卡爾空間中的軌跡線，每條軸 k 對應執行緒 k 的進度，每個點表示執行緒 k 已經完成了指令 I_k這一狀態，比如一個程式中有兩個執行緒，它的執行歷史如下，我們就可以將其模型化為狀態空間的一條軌跡線。

H₁，L₁，U₁，H₂，L₂，S₁，T₁，U₂，S₂，T₂

    那麼對於執行緒 i，操作共享變數cnt內容的指令（，L_i，U_i，U_i）構成一個臨界區，那麼就能分析出不安全區域，如果軌跡流經過不安全區域，那程式就有可能出錯。

    當然，為了解決這一問題，荷蘭科學家迪傑斯特拉提出了訊號量機制，解決同步不同執行執行緒問題，就是我們很熟悉的 P、V 操作，使用訊號量來實現互斥，就好像在上面的不安全區域加了一道牆壁，軌跡線無法進入這個不安全區域。

    訊號量也用來排程共享資源，比如經典的生產者-消費者、讀者-寫者的問題。需要注意的是，訊號量又引入了一種潛在的執行時錯誤，那就是死鎖，這一部分知識查詢容易，就不介紹了。code