软件构造课程提纲

Posted 2020-11-18 zhangyushuqing

第十章

1. 进程和线程：两种不同的并发模块

（1）进程：正在运行程序的一个实例，拥有自己私有专用的内存空间

　　·可抽象为虚拟计算机，拥有独立的执行环境和完整的资源

　　·进程间通常不共享内存，不能访问其他进程的内存和对象，需要特殊机制

　　·进程通信采用消息传递方式，即标准I/O流，为了实现进程间通信，大多数操作系统都支持“进程间通信（IPC）资源”，如管道和socket

（2）线程：正在运行程序的一个执行路径（一个进程可对应多个线程）

　　·线程有自己的堆栈和局部变量，但是多个线程共享内存空间

　　·可抽象为一个虚拟处理器，有时也称为轻量级进程

　　·线程存在于进程内，与进程中的其他线程共享相同的资源

　　·采用内存共享机制通信，需要特殊处理才能实现消息传递和私有内存

2. 线程的创建和启动、runnable

（1）所有的线程都需要实现Runnable接口，在run()中写具体实现

　　 

（2）创建Thread子类型

　　 

（3）提供一个Runnable对象

 　　

（4）惯用法：用一个匿名的Runnable启动一个线程，避免创建命名类

　　 

3. 时间分片、交错执行、竞争条件

（1）时间分片

　　·在某时刻，一个运行核心上只有一个线程可以运行

　　·当线程数多于处理器数量时，并发性通过时间片来模拟，处理器切换处理不同的线程

（2）交错执行：时间片的使用不可预知且非确定，线程可能随时暂停或恢复

 

（3）竞争条件：程序的正确性（后置条件和不变量的满足）取决于并发计算A和B中事件的相对时间，例如A和B都需要从银行中取走全部存款，A取走时B可能不知道，导致了没有足够的存款，产生竞争

4. 线程的休眠、中断

（1）休眠

　　·sleep()：让当前线程暂停指定时间的执行

　　·join()：确保当前线程能够执行完毕

　　·wait()：释放锁，让线程进入等待，直到调用notify()

（2）中断（interrupt）

　　·每个线程都有中断状态，初始为false

　　·若该线程在执行低级可中断阻塞方法，取消阻塞，抛出中断异常，否则设置中断状态为true

　　·在被中断线程中运行的代码以后可以轮询中断状态，看看它是否被请求停止正在做的事情

　　·当一个线程中断另一个线程时，被中断的线程不一定要立即停止，只需在愿意并且方便的时候停止，为安全地构造可取消活动提供了更大的灵活性

　　·如果活动在正在进行更新的时候被取消，那么程序数据结构可能处于不一致状态，中断允许一个可取消活动来清理正在进行的工作，恢复不变量，通知其他活动它要被取消，然后才终止

5. 线程安全：无论如何执行，不许调度者做额外的协作，都能满足正确性

（1）Confinement：限制可变变量的共享

　　·将数据限制在单个线程中，避免线程在可变数据上进行竞争

　　·局部变量保存在线程栈中，每个调用都有自己的变量副本，如果是对象的引用，则要确保不能引用任何其他线程可访问的对象

　　·在多线程环境中，取消全局变量，尽量避免使用不安全的静态变量

（2）Immutability：用不可变的共享变量

　　·解决了因为共享可变数据造成的竞争，可以安全地从多个线程访问final

　　·这种安全性只适用于变量本身，仍需确保变量指向的对象是不可变的

　　·如果类型的对象在整个生命周期中表示相同的抽象值，则类型不可变

　　·若改变对用户不可见，且对应抽象值不变，允许对rep进行更改

　　·不变性的强定义

　　　　- 没有改变数据的操作

　　　　- 所有字段均为private和final

　　　　- 没有表示泄露

　　　　- 表示中的任何可变对象都不能变化

　　　　- 不存储传递给构造函数的外部可变对象的引用

　　　　- 避免在方法返回值中包含对可变对象的引用

（3）Threadsafe data type：将共享数据封装在线程安全的数据类型中

　　·如List、Set、Map等数据结构是不安全的，线程安全提供了Connections的类型，可确保方法是原子的（动作的内部操作不会同其他操作交叉，不会产生部分完成的情况），例：private static Map<Integer,Boolean> cache = Collections.synchronizedMap(new HashMap<>());    

　　·统一采用包装类的形式，确保抛弃对底层非线程安全容器类的引用

　　·迭代器仍然不安全，在迭代collection的时候需获取集合的锁

　　·原子操作仍然不足以完全避免竞争，如检查集合是否为空的时候，另一个线程可能提前取走了元素

　　·包装的实现是将所有的实际工作委托给指定的容器，但在容器的基础上添加额外的功能

（4）Synchronization：使用同步来防止线程同时访问变量

　　·锁是一种实现同步的抽象，某一时刻最多允许一个线程拥有锁

　　·锁的两种操作

　　　　- 获取锁的所有权：如过锁被其他线程拥有，将进入阻塞状态，等待锁释放后再同其他线程竞争

　　　　- 释放锁的所有权

　　·使用锁可以确保锁的所有者始终查看最新的数据

　　·锁只能确保与其他请求获取相同对象锁的线程互斥访问，若其他线程采用不同的锁，则同步失效

　　·当线程调用同步方法时，它会自动获取该方法对象的内部锁，并在方法返回时释放它。即使返回是由未捕获的异常引起的，也会释放锁

　　·同一对象上的同步方法的两次调用不会有交错现象

6. Message passing

（1）各个处理模块间通过信息传递来进行交互

（2）接收方将收到的消息形成队列逐一处理，消息发送者继续发送（异步方式）

（3）并不能消除竞争条件的可能性

（4）选择模型时，withdraw-if-sufficient-funds比单纯的withdraw更合适

7. 死锁

（1）由于使用锁需要线程等待，可能会陷入两个线程正在等待对方，陷入永远阻塞的情况

（2）死锁可能涉及两个以上的模块，线程间的依赖关系环是出现死锁的信号

（3）防止死锁方法

　　·对需要同时获取的锁进行排序，并确保所有代码按照该顺序获取锁定，例：

 　　

　　·用单个粗粒度的锁监控多个对象实例（但性能损失大）

8. 以注释的形式撰写线程安全策略

（1）需要对安全性进行这种仔细的论证，阐述使用了哪种技术，使用threadsafe data types, or synchronization时，需要论证所有对数据的访问都是具有原子性的

（2）例：

 　　

（3）反例：