Linux内核设计与实现——第9章第10章内核同步介绍与方法

柔光的暖阳◎ 2022-10-07 05:57 153阅读 0赞

# 内核同步介绍 #

本章的意义何在？

**因为目前内核支持多处理器，所以共享资源一定要防止并发访问，如果多个执行线程同时访问和操作数据，就可能发生各线程之间相互覆盖共享数据情况，造成被访问数据处于不一致状态**，因此我们要了解Linux内核如何解决同步问题和防止产生竞争条件。

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## 1 临界区和竞争条件 ##

临界区：访问和操纵共享数据的代码段。  
为了避免在临界区中并发访问，我们必须保证这些代码**原子**地执行，即操作在执行结束前不可被打断。但是如果发生两个执行线程处于同一个临界区中同时执行，就称为 竞争条件 ，这种情况可能会导致错误，**所以避免并发和防止竞争条件称为同步**。

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## 2 加锁 ##

为了防止竞争条件，我们需要能确保一次有且仅有一个线程对数据结构进行操作，或者当另一个线程在对临界区标记时，就禁止（锁定）其他的访问。

而我们可以利用**锁机制**（在其他很多地方都用到这种机制，比如数据库，只要是访问数据都可能用到）。

> 把这里的锁当成“门锁”，门后房间当成“临界区”。当一个线程进入房间后，门会被锁住，其他线程进不来，只有当前线程结束对共享数据的访问后，走出房门打开门锁，其他线程才能进入并锁上。这样线程持有锁，锁可以保护数据。

而锁的使用是非强制的，程序员自愿的，但是最好在对共享数据访问时使用锁。

锁采用原子操作实现的，即不会被打断。

### 造成并发执行的原因 ###

因为用户程序会被调度程序抢占和重新调度。内核中可能造成并发执行的原因如下：

*  **中断**
 *  **软中断和tasklet**
 *  **内核抢占**
 *  **睡眠及与用户空间的同步**
 *  **对称多处理**：两个或多个处理器可以同时执行代码。

我们的目的就是发现上述的潜在并发执行的可能，并有意识地采取措施来防止并发执行。

用锁保护共享资源很简单，困难在于**找到真正需要共享的数据和相应临界区**。我们希望在编写代码的开始阶段就设计恰当的锁。

### 需要保护什么？ ###

因为任何可能被并发访问的代码都几乎无例外需要保护，所以找哪些代码不需要保护会更容易些。

什么数据需要加锁呢？

> **如果有其他执行线程可以访问这些数据，那么就给这些数据加锁；如果任何其他什么东西都能看到它，就锁住它。**

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## 3 死锁 ##

死锁产生的原因：有一个或多个执行线程和一个或多个资源，每个线程都在等待其中的一个资源，但所有资源都已经被占用了。所有线程都在相互等待，但它们永远不释放资源。

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## 4 争用和扩展性 ##

锁的争用：当锁正被占用时，其他线程试图获得该锁。  
扩展性：对系统可扩展程度的一个量度。

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# 内核同步方法 #

## 1 原子操作 ##

原子操作是其他同步方法的基石，它可以保证指令以**原子**的方式执行——执行不被打断。

Linux内核提供了两组原子操作接口：

1.  对整数进行操作  
    只能对 `atomic_t` 类型的数据进行处理。

typedef struct{
        
    	volatile int counter;
    }atomic_t;

1.  对单独的位进行操作  
    位操作函数是对普通的内存地址进行操作。

## 2 自旋锁 ##

Linux内核中最常见的锁是**自旋锁**，它最多只能被一个可执行线程持有。  
如果一个执行线程试图获得一个被已经持有的自旋锁，那么该线程就会一直进行**忙循环—旋转—等待锁重新可用**。如果锁未被争用，请求锁的执行线程便能立刻得到它，继续执行。  
自旋锁可以防止多于一个的执行线程同时进入临界区。

自旋锁的要点：一个被争用的自旋锁使得请求它的线程在等待锁重新可用时自旋（浪费处理器时间），所以自旋锁不应该被长时间持有。所以我们**让持有自旋锁的时间应尽可能的短**。

自旋锁的使用形式如下：

DEFINE_SPINLOCK(mr_lock);
    spin_lock(&mr_lock);
    /*临界区*/
    spin_unlock(&mr_lock);

注意：自旋锁是不可递归的。

## 3 读写自旋锁 ##

有时锁可明确分别用于读取和写入两个场景。Linux内核提供了专门的读写自旋锁。  
一个或多个读任务可以并发地持有读写锁；  
用于写的锁最多只能被一个写任务持有，而且此时不能有并发的读操作。

读写自旋锁的初始化：

DEFINE_RWLOCK(mr_rwlock);

在读者的代码分支中使用如下函数：

read_lock(&mr_rwlock);
    /*临界区（只读）...*/
    read_unlock(&mr_rwlock);

而在写者的代码分支中使用如下函数：

write_lock(&mr_rwlock);
    /*临界区（只读）...*/
    write_unlock(&mr_rwlock);

如果加锁时间不长且代码不会睡眠，利用自旋锁是最佳选择。  
如果加锁时间可能很长或者代码在持有锁时有可能睡眠，那么可使用**信号量**来完成加锁功能。

## 4 信号量 ##

Linux信号量是一种睡眠锁，如果有个任务试图获得一个不可用的信号量时，信号量会将其推进一个等待队列，让其睡眠。当持有的信号量可用后，处于等待队列的那个任务将被唤醒，并获得信号量。

信号量分为计数信号量和二值信号量（也称互斥信号量）。

静态信号量声明方法：

struct semaphore name;
    sema_init(&name, count); // name为信号量变量名，count为信号量的使用数量

创建互斥信号量的快捷方法如下：

static DECLARE_MUTEX(name);

动态创建信号量为：

sema_init(sem, count);

使用信号量：

/*定义并声明一个信号量mr_sem，用于信号量计数*/
    static DECLARE_MUTEX(mr_sem);
    
    /*down_interruptible 试图获取信号量*/
    if(down_interruptible(&mr_sem)){
        
    	//信号量还未获取
    }
    /*临界区*/
    
    /*释放给定的信号量*/
    up(&mr_sem);

## 5 读写信号量 ##

和自旋锁一样，信号量也有区分读—写访问的可能。  
创建静态声明的读-写信号量：

static DECLARE_RWSEM(name);

创建动态读写信号量：

init_rwsem(struct rw_semaphore *sem);

所有读写信号量都是互斥信号量。

## 6 互斥体 ##

“互斥体”指的是任何**可以睡眠的强制互斥锁**，而在最新的Linux内核中，互斥体也**用于一种实现互斥的特定睡眠锁**，即互斥体是一种互斥信号。

什么场景使用什么锁：  
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