向下之旅（十二）：内核同步介绍

　　共享内存的应用程序必须特别留意保护共享资源，防止共享资源被并发的访问。内核也不例外。共享资源之所以要防止并发访问，是因为如果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，造成被访问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。

　　临界区和竞争条件

　　临界区就是访问和操作共享数据的代码段。为了避免在临界区发生并发访问，编程者必须保证这些代码原子的执行——也就是说，代码在执行结束前不能被打断，如果两个执行线程有可能处于同一个临界区中，那么这就是程序包含的一个Bug。如果这种情况发生了，被称为竞争条件。避免并发和防止竞争条件被称为同步。

　　加锁

　　当出现并发线程访问共享数据的时候，此时需要给共享数据加锁，当获得锁的线程执行的时候，其他线程需等待，当线程执行完释放锁的时候，下一个线程获得锁，并重复执行上面任务。

　　


　　锁的使用是自愿的，非强制的，它完全属于一种编程者自选的手段。没有什么可以强制编程者在操作我们虚构的队列时必须使用锁。当然，如果不这么做，无疑会造成竞争条件而破坏队列。

　　并发的产生

　　用户进程可能在任何时刻被抢占，而调度程序完全可能选择两一个高优先级的进程到处理器上执行，所以就有可能在一个程序正处于临界区时，就被非自愿的抢占了，如果新调度的程序随后也进入同一临界区，此时，前后两个进程相互之间就会产生竞争。这里其实想着并不真是同事发生的，但他们相互交叉进行，所以也可被称为伪并发执行。

　　如果是一个对称多处理机器，那么两个进程就可以真正的在临界区中同时进行了，这种类型被称为真并发。

　　内核中有类似可能造成并发执行的原因。它们是：

　　1.中断——中断几乎可以在任何时刻异步发生，也就可能随时打断当前正在执行的代码

　　2.软中断和tasklet——内核能在任何时候唤醒或调度软中断和tasklet，打断当前正在执行的代码

　　3.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。

　　4.睡眠及用户空间的同步——在内核执行的进程可能会睡眠，这就会唤醒调度程序，从而导致调度一个新的用户进程执行

　　5.对称多处理——两个或多个处理器可以同时执行代码

　　死锁

　　死锁的产生需要一定的条件：要有一个或多个执行线程或一个或多个资源，每个线程都在等待其中一个资源，但所有的资源都已经被占用了。所有线程都在相互等待，但它们永远不会释放已经占有的资源。于是热河线程都无法继续，这便产生了死锁。

　　自死锁：一个线程视图去获得一个自己已经持有的锁，它将不得不等待锁被释放，但是却又不释放锁。

　　


　　ABBA死锁

　　


　　通过一些手段可预防死锁：

　　1.加锁的顺序是关键。使用嵌套的锁时必须保证以相同的顺序获取锁，这样可以阻止致命拥抱类型的锁。

　　2.防止发生饥饿

　　3.不要重复请求同一个锁

　　4.越复杂的加锁方案越有可能造成死锁——设计应求简单。

　　争用和扩展性

　　锁的争用，是指当锁正在被占用的时候，有其他的线程试图获得该锁。当一个锁处于高度争用的状态时，说明有多个线程在等在获得该锁。锁的使用会降低系统的性能。

　　扩展性是对系统可扩展程度的一个量度，对于操作系统，我们在谈及可扩展性的时候就会和大量的进程、处理器、或是大量的内存等联系起来。其实任何可以别计量的计算机组件都可以涉及可扩展性。

　　参考自：《Linux Kernel Development》.