《Linux核心設計與實現》讀書筆記（九）- 核心同步介紹

存在共用資源(共用一個檔案，一塊記憶體等等)的時候，為了防止並發訪問時共用資源的資料不一致，引入了同步機制。

主要內容：

1. 同步的概念
2. 同步的方法-加鎖
3. 死結
4. 鎖的粒度

 

1. 同步的概念

瞭解同步之前，先瞭解另外2個概念：

• 臨界區   - 也稱為臨界段，就是訪問和操作共用資料的程式碼片段。
• 競爭條件 - 2個或2個以上線程在臨界區裡同時執行的時候，就構成了競爭條件。

 

所謂同步，其實防止在臨界區中形成競爭條件。

如果臨界區裡是原子操作(即整個操作完成前不會被打斷)，那麼自然就不會出競爭條件。

但在實際應用中，臨界區中的代碼往往不會那麼簡單，所以為了保持同步，引入了鎖機制。

 

2. 同步的方法-加鎖

為了給臨界區加鎖，保證臨界區資料的同步，首先瞭解一下核心中哪些情況下會產生並發。

 

核心中造成競爭條件的原因：

競爭原因	說明
中斷	中斷隨時會發生，也就會隨時打斷當前執行的代碼。如果中斷和被打斷的代碼在相同的臨界區，就產生了競爭條件
非強制中斷和tasklet	非強制中斷和tasklet也會隨時被核心喚醒執行，也會像中斷一樣打斷正在執行的代碼
核心搶佔	核心具有搶佔性，發生搶佔時，如果搶佔的線程和被搶佔的線程在相同的臨界區，就產生了競爭條件
睡眠及使用者空間的同步	使用者進程睡眠後，發送器會喚醒一個新的使用者進程，新的使用者進程和睡眠的進程可能在同一個臨界區中
對稱式多處理	2個或多個處理器可以同時執行相同的代碼

 

為了在編寫核心代碼時避免出現競爭條件，在編寫代碼之前就要考慮好臨界區在哪，以及怎麼加鎖。

在編寫完代碼後再加鎖是非常困難的，很可能還會導致部分代碼重寫。

 

編寫核心代碼時，時時記著下面這些問題：

1. 這個資料是不是全域的？除了當前線程以外，其他線程能不能訪問它？
2. 這個資料會不會在進程上下文或者中斷上下文中共用？它是不是要在兩個不同的中斷處理常式中共用？
3. 進程在訪問資料時可不可能被搶佔？被調度的新程式會不會訪問同一資料？
4. 當前進程會不會睡眠(或者阻塞)在某些資源上，如果是，它會讓共用資料處於何種狀態？
5. 怎樣防止資料失控？
6. 如果這個函數又在另一個處理器上被調度將會發生什嗎？

 

3. 死結

死結就是所有線程都在相互等待釋放資源，導致誰也無法繼續執行下去。

下面一些簡單的規則可以協助我們避免死結：

1. 如果有多個鎖的話，盡量確保每個線程都是按相同的順序加鎖，按加鎖相反的順序解鎖。(即加鎖a->b->c，解鎖c->b->a)
2. 防止發生饑餓。即設定一個逾時時間，防止一直等待下去。
3. 不要重複請求同一個鎖。
4. 設計應力求簡單。加鎖的方案越複雜就越容易出現死結。

 

4. 鎖的粒度

在加鎖的時候，不僅要避免死結，還需要考慮加鎖的粒度。

鎖的粒度對系統的可擴充性有很大影響，在加鎖的時候，要考慮一下這個鎖是否會被多個線程頻繁的爭用。

如果鎖有可能會被頻繁爭用，就需要將鎖的粒度細化。

細化後的鎖在多處理器的情況下，效能會有所提升。

 

舉個例子說明一下：比如給一個鏈表加鎖，同時有A，B，C 3個線程頻繁訪問這個鏈表。

那麼當A，B，C 3個線程同時訪問這個鏈表時，如果A獲得了鎖，那麼B，C線程只能等待A釋放了鎖後才能訪問這個鏈表。

 

如果A，B，C 3個線程訪問的是這個鏈表的不同節點（比如A是修改節點listA，B是刪除節點listB，C是追加節點listC），

並且這3個節點不是連續的，那麼3個線程同時運行是不會有問題的。

 

這種情況下就可以細化這個鎖，把加在鏈表上的鎖去掉，改成把鎖加在鏈表的每個節點上。（也就是鎖粒度的細化）

那麼，上述的情況下，A，B，C 3個線程就可以同時訪問各自的節點，特別是在多處理器的情況下，效能會有顯著提高。

 

最後還有一點需要提醒的是，鎖的粒度越細，系統開銷越大，程式也越複雜，所以對於爭用不是很頻繁的鎖，就沒有必要細化了。