I/O进程5 - 技术栈

day5
- 十二、线程同步
  - 1.互斥
    - 1.1概念
      - 临界资源：一次仅允许一个进程所使用的资源
      - 临界区：指的是一个访问共享资源的程序片段
      - 互斥：多个线程在访问临界资源时，同一时间只能一个线程访问
      - 互斥锁：通过互斥锁可以实现互斥机制，主要用来保护临界资源，每个临界资源都由一个互斥锁来保护，线程必须先获得互斥锁才能访问临界资源，访问完资源后释放该锁。如果无法获得锁，线程会阻塞直到获得锁为止。
    - 1.2函数
      - int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex, pthread_mutexattr_t *attr)
      - 功能：初始化互斥锁
      - 参数：
      - mutex：互斥锁
      - attr: 互斥锁属性 // NULL表示缺省属性
      - 返回值：成功 0 失败 -1
      - int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
      - 功能：申请互斥锁
      - 参数：mutex：互斥锁
      - 返回值：成功 0 失败 -1
      - 注：和pthread_mutex_trylock区别：pthread_mutex_lock是阻塞的；pthread_mutex_trylock不阻塞，如果申请不到锁会立刻返回
      - int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)
      - 功能：释放互斥锁
      - 参数：mutex：互斥锁
      - 返回值：成功 0 失败 -1
      - int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex)
      - 功能：销毁互斥锁
      - 参数：mutex：互斥锁
    - 1.3练习
      - int a[10]={0，1，2，3，4，5，6，7，8，9}; 两个线程：一个线程打印，一个线程倒置
    - 1.4死锁
      - 1.4.1概念
        
        是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。
      - 1.4.2死锁产生的四个必要条件
        
        (1)、互斥使用，即当资源被一个线程使用(占有)时，别的线程不能使用
        
        (2)、不可抢占，资源请求者不能强制从资源占有者手中夺取资源，资源只能由资源占有者主动释放。
        
        (3)、请求和保持，即当资源请求者在请求其他的资源的同时保持对原有资源的占有。
        
        (4)、循环等待，即存在一个等待队列：P1占有P2的资源，P2占有P3的资源，P3占有P1的资源。这样就形成了一个等待环路。注意：当上述四个条件都成立的时候，便形成死锁。当然，死锁的情况下如果打破上述任何一个条件，便可让死锁消失。
  - 2.条件变量
    - 2.1步骤
      - pthread_cond_init:初始化
      - pthread_cond_wait：阻塞等待条件产生，没有条件产生时阻塞，同时解锁，当条件产生时结束阻塞，再次上锁。
      - pthread_mutex_lock(); //上锁
      - pthread_cond_wait(cond, lock); //如果没有条件产生时，解锁，当等待到条件产生时，上锁。
      - pthread_cond_signal：产生条件，不阻塞
      - pthread_cond_wait先执行，pthread_cond_signal再产生条件
    - 2.2函数接口
      - int pthread_cond_init(pthread_cond_t *restrict cond,const pthread_condattr_t *restrict attr);
      - 功能：初始化条件变量
      - 参数：
      - cond：是一个指向结构pthread_cond_t的指针
      - restrict attr：是一个指向结构pthread_condattr_t的指针，一般设为NULL
      - 返回值：成功：0 失败：非0
      - int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *restrict cond, pthread_mutex_t *restrict mutex);
      - 功能：等待信号的产生
      - 参数：
      - restrict cond：要等待的条件
      - restrict mutex：对应的锁
      - 返回值：成功：0，失败：不为0 注：当没有条件产生时函数会阻塞，同时会将锁解开；如果等待到条件产生，函数会结束阻塞同时进行上锁。
      - int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);
      - 功能：给条件变量发送信号
      - 参数：cond：条件变量值
      - 返回值：成功：0，失败：非0
      - 注：必须等待pthread_cond_wait函数先执行，再产生条件才可以
      - int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond);
      - 功能：将条件变量销毁
      - 参数：cond：条件变量值
      - 返回值：成功：0，失败：非0
- 十三、linux IO模型
  - 1.阻塞式IO：是常见，效率低，不浪费CPU
  - 2.非阻塞式IO：轮询、耗费CPU、可以处理多路IO
    - 2.1通过函数自带参数进行设置
    - 2.2.通过设置文件描述符属性设置非阻塞
      - int fcntl(int fd, int cmd, ... /* arg */ );
      - 功能：设置文件描述符属性
      - 参数：
      - fd:文件描述符
      - cmd：设置方式 - 功能选择
      - F_GETFL 获取文件描述符的状态信息第三个参数化忽略
      - F_SETFL 设置文件描述符的状态信息通过第三个参数设置
      - O_NONBLOCK 非阻塞
      - O_ASYNC 异步
      - O_SYNC 同步
      - arg:设置的值 in
      - 返回值：
      - 特殊选择返回特殊值 - F_GETFL 返回的状态值(int)
      - 其他：成功0 失败-1，更新errno
      - 使用：
      - 0为例
      - 0-原本：阻塞、读权限修改或添加非阻塞
      - int flags=fcntl(0,F_GETFL);//1.获取文件描述符原有的属性信息
      - flags = flags | O_NONBLOCK;//2.修改添加权限
      - fcntl(0,F_SETFL,flags); //3.将修改好的权限设置回去
  - 3.信号驱动IO：异步通知方式，底层驱动的支持
    - 异步通知：异步通知是一种非阻塞的通知机制，发送方发送通知后不需要等待接收方的响应或确认。通知发送后，发送方可以继续执行其他操作，而无需等待接收方处理通知。
      - (1). 通过信号方式，当内核检测到设备数据后，会主动给应用发送信号SIGIO。
      - (2). 应用程序收到信号后做异步处理即可。
      - (3).应用程序需要把自己的进程号告诉内核，并打开异步通知机制。
        
        //1.设置将文件描述符和进程号提交给内核驱动 //一旦fd有事件响应, 则内核驱动会给进程号发送一个SIGIO的信号 fcntl(fd,F_SETOWN,getpid());
        
        //2.设置异步通知 int flags; flags = fcntl(fd, F_GETFL); //获取原属性 flags |= O_ASYNC; //给flags设置异步 O_ASUNC 通知 fcntl(fd, F_SETFL, flags); //修改的属性设置进去,此时fd属于异步
        
        //3.signal捕捉SIGIO信号 --- SIGIO:内核通知会进程有新的IO信号可用 //一旦内核给进程发送sigio信号，则执行handler signal(SIGIO,handler);
  - 4.IO多路复用：select poll epoll
    - 4.1
      - ●应用程序中同时处理多路输入输出流，若采用阻塞模式，得不到预期的目的；
      - ● 若采用非阻塞模式，对多个输入进行轮询，但又太浪费CPU时间；
      - ● 若设置多个进程/线程，分别处理一条数据通路，将新产生进程/线程间的同步与通信问题，使程序变得更加复杂；
      - ● 比较好的方法是使用I/O多路复用技术。其基本思想是： ○ 先构造一张有关描述符的表（最大1024），然后调用一个函数。 ○ 当这些文件描述符中的一个或多个已准备好进行I/O时函数才返回。 ○ 函数返回时告诉进程那个描述符已就绪，可以进行I/O操作。
    - 4.2select
      - 4.2.1特点
        
        (1).一个进程最多只能监听1024个文件描述符
        
        (2).select被唤醒之后要重新轮询，效率相对低
        
        (3).select每次都会清空未发生响应的文件描述符，每次拷贝都需要从用户空间到内核空间，效率低，开销大
      - 4.2.2编程步骤
        
        (1).先构造一张关于文件描述符的表
        
        (2).清空表 FD_ZERO
        
        (3).将关心的文件描述符添加到表中 FD_SET
        
        (4).调用select函数
        
        (5).判断式哪一个或者式哪些文件描述符产生了事件 FD_ISSET
        
        (6).做对应的逻辑处理
      - 4.2.3函数接口
        
        int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);
        
        功能：实现IO的多路复用
        
        参数： nfds：关注的最大的文件描述符+1 readfds：关注的读表 writefds：关注的写表 exceptfds：关注的异常表 timeout：超时的设置 NULL：一直阻塞，直到有文件描述符就绪或出错时间值为0：仅仅检测文件描述符集的状态，然后立即返回时间值不为0：在指定时间内，如果没有事件发生，则超时返回0，并清空设置的时间值 struct timeval { long tv_sec; /* 秒 */ long tv_usec; /* 微秒 = 10^-6秒 */ };
        
        返回值：准备好的文件描述符的个数 -1 ：失败： 0：超时检测时间到并且没有文件描述符准备好
        
        注意： select返回后，关注列表中只存在准备好的文件描述符
        
        操作表： void FD_CLR(int fd, fd_set *set); //清除集合中的fd位 void FD_SET(int fd, fd_set *set);//将fd放入关注列表中 int FD_ISSET(int fd, fd_set *set);//判断fd是否在集合中是--》1 不是---》0 void FD_ZERO(fd_set *set);//清空关注列表
      - 4.2.4练习
        
        输入鼠标的时候，响应鼠标事件，输入键盘的时候，响应键盘事件 (两路IO)
      - 4.2.5超时检测
        
        (1).概念
        
        什么是网络超时检测呢，比如某些设备的规定，发送请求数据后，如果多长时间后没有收到来自设备的回复，那么需要做出一些特殊的处理
        
        比如: 链接wifi的时候，等了好长时间也没有连接上，此时系统会发送一个消息：网络连接失败
        
        (2).必要性
        
        (1). 避免进程在没有数据时无限制的阻塞;
        
        (2).规定时间未完成语句应有的功能,则会执行相关功能
    - 4.3poll
      - 特点
        
        (1).优化文件描述符的限制，文件描述符的限制取决于系统
        
        (2).poll被唤醒之后要重新轮询一遍，效率相对低
        
        (3).poll不需要重新构造表，采用结构体数组，每次都需要从用户空间拷贝到内核空间
    - 4.4epoll：百万级
      - 特点
        
        (1).监听的最大的文件描述符没有个数限制
        
        (2).异步IO，epoll当有事件产生被唤醒之后，文件描述符主动调用callback函数（回调函数）直接拿到唤醒的文件描述符，不需要轮询，效率高
        
        (3).epoll不需要重新构造文件描述符表，只需要从用户空间拷贝到内核空间一次。
    - 4.5总结