Linux内核同步介绍及方法

客官°小女子只卖身不卖艺 2022-07-15 06:43 244阅读 0赞

# Linux内核设计与实现 #

## 第9章内核同步介绍 ##

（1）多个执行线程同时访问和操作数据，就有可能发生各线程之间相互覆盖共享数据的情况，造成共享数据处于不一致状态。并发访问共享数据是造成系统不稳定的一类隐患，而且这种错误一般难以跟踪和调试。在使用共享内存的应用程序中，程序员必须特别留意保护共享资源，防止共享资源并发访问，内核也不例外。

（2）临界区是访问和操作共享数据的代码段。  
（3）避免并发和防止竞争条件称为同步。

（4）原子操作在操作执行结束前不可被打断。  
（5）可以通过加锁来保护临界区资源。  
\- 内核中可能造成并发的原因：  
\- 中断——中断几乎可以在任何时刻异步发生，也就可以随时打断当前正在执行的代码。  
\- 软中断和tasklet——内核能在任何时刻唤醒或调度软中断和tasklet，打断当前正在执行的代码。  
\- 内核抢占——因为内核具有抢占性，所以内核中的任务可能会被另一任务抢占。

（6）尽管释放锁的顺序和死锁无关，但最好还是以获得锁的相反顺序来释放锁。

## 第10章内核同步方法 ##

#### 原子操作： ####

内核提供了两组原子操作接口，一组针对整数进行操作，另一组针对单独的位进行操作。  
针对整数的原子操作只能对atomic\_t类型的数据进行处理。  
原子性与顺序性：原子性确保指令执行期间不被打断，要么全部执行，要么根本不执行。顺序性确保即使两条或多条指令同时出现在独立的执行线程中，他们依然保持本该的执行顺序。顺序性通过屏障指令来实施。

#### 自旋锁： ####

自旋锁只能被一个可执行线程持有。如果一个线程试图争用自旋锁，他就会处于忙循环——旋转——等待锁重新可用中一直自旋，浪费处理器时间。  
所以自旋锁不应被长时间占有。这正是使用自旋锁的初衷：在短期内进行轻量级加锁。  
处理锁争用的其他方式：让请求线程睡眠，直到锁重新可用时唤醒他。  
中断处理程序中使用自旋锁时要在获取锁之前禁止本地中断，否则中断处理程序会打断正持有锁的内核代码。  
下半部可以抢占进程上下文中的代码，所以下半部和进程上下文共享数据时，要保护进程上下文中的共享数据。

#### 信号量 ####

信号量是一种睡眠锁，他比自旋锁提供了更好的处理器利用率，因为没有把时间花费在忙等待上。  
在占用信号量的同时不能占用自旋锁。  
锁被持有时间长时用信号量，被持有时间短时用自旋锁。  
信号量包括互斥信号量和计数信号量。计数信号量在一个时刻至多有count个持有者。  
互斥体是相对于信号量更简单的睡眠锁。

#### 自旋锁与信号量的比较 ####

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>需求</th> 
   <th>建议的加锁方法</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>低开销加锁</td> 
   <td>优先使用自旋锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>短期锁定</td> 
   <td>优先使用自旋锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>长期加锁</td> 
   <td>优先使用互斥体</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>中断上下文中加锁</td> 
   <td>使用自旋锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>持有锁需要睡眠</td> 
   <td>使用互斥体</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 自旋锁方法列表 ####

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法</th> 
   <th>描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>spin_lock()</td> 
   <td>获取指定的自旋锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>spin_lock_irq()</td> 
   <td>禁止本地中断并获得指定的锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>spin_lock_irqsave()</td> 
   <td>保存本地中断的当前状态，禁止本地中断，并获取指定的锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>spin_unlock()</td> 
   <td>释放指定的锁</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>spin_unlock_irq()</td> 
   <td>释放指定的锁，并激活本地中断</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>spin_unlock_irqrestore()</td> 
   <td>释放指定的锁，并让本地中断恢复到以前状态</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>spin_lock_init()</td> 
   <td>动态初始化指定的spinlock_t</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>spin_trylock()</td> 
   <td>试图获取指定的锁，如果未获取，则返回非0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>spin_is_locked()</td> 
   <td>如果指定的锁当前正在被获取，则返回非0，否则返回0</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

#### 信号量方法列表 ####

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>方法</th> 
   <th>描述</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>sema_init(struct semaphore *,int)</td> 
   <td>以指定的计数值初始化动态创建的信号量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>init_MUTEX(struct semaphore *)</td> 
   <td>以计数值1初始化动态创建的信号量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *)</td> 
   <td>以计数值0初始化动态创建的信号量</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>down_interruptible(struct semaphore *)</td> 
   <td>以试图获得指定的信号量，如果信号量已被争用，则进入可中断睡眠状态</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>down (struct semaphore *)</td> 
   <td>以试图获得指定的信号量，如果信号量已被争用，则进入不可中断睡眠状态</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>down_trylock (struct semaphore *)</td> 
   <td>以试图获得指定的信号量，如果信号量已被争用，则立刻返回非0值</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>up (struct semaphore *)</td> 
   <td>以释放指定的信号量，如果睡眠队列不空，则唤醒其中一个任务</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>