[笔记]《Linux内核设计与实现》第九、十章内核同步

目前正在通读《Linux内核设计与实现》一书，本文是对第九章<内核同步介绍>、第十章<内核同步方法>的总结。
1.前置概念：

临界区：也叫临界段，就是访问和操作共享数据的代码段。

竞争条件：race conditions，发生了多个执行线程处于同一个临界区中同时执行的情况，我们就称它是竞争条件。

同步：synchronization，避免并发和防止竞争条件，就称为同步。

伪并发：多个任务不真是同时发生的，而是相互交叉进行。

死锁：所有线程都在相互等待，但它们又不会释放已经占有的锁。

自死锁：一个执行线程试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，但是因为在忙等待，所以自己也永远不会有机会释放这个锁。

递归锁：同一个锁可以被一个执行线程多次请求。递归锁可以用来防止自死锁现象。

争用：指锁的争用，lock contention。是指当锁正在被占用时，有其他线程试图获得该锁。

2.并发执行的原因：

1)中断

2)软中断和tasklet

3)内核抢占：内核具有抢占性，内核中的任务可能会被另一任务抢占。

4)睡眠及与用户空间的同步

5)对称多处理：两个或多个处理器可以同时执行代码

3.加锁的难点：

如何辨别出真正需要共享的数据和相应的临界点

4.给谁加锁：

要给数据而不是代码加锁

5.锁的作用：

是使得程序以串行方式对资源进行访问。

6.加锁方案：

加锁粒度的控制，过粗，会导致锁被高度争用，严重降低系统性能；过细，只会增加复杂度加大开销。

原则：设计初期加锁方案应该力求简单，仅当需要时再进一步细化加锁方案，精髓在于力求简单。

7.锁的类型：

各种锁机制之间的区别主要在于：当锁已经被其他线程持有，因而不可用时的行为表现。

锁是用原子操作实现的，而原子操作不存在竞争。

7.1.原子操作

原子操作确保指令执行期间不被打断，要么全部执行完，要么不执行。

真正的原子操作需要的是--所有中间结果都正确无误。

内核提供了两组原子操作接口：原子整数操作和原子位操作。

原子操作通常是内联函数，往往通过内嵌汇编指令来实现。

能用原子操作时，就尽量不要使用复杂的加锁机制。

7.2.自旋锁

spin lock

内核中最普通的锁，最多只能被一个可执行线程持有。争用时忙等待，即一直进行忙循环，特别浪费处理器时间。

其初衷：在短期间内进行轻量级加锁。

在现在的抢占式内核中，锁的持有时间等价于系统的调度等待时间。

自旋锁的特点：

1)在Linux中，自旋锁不可递归；

2)自旋锁可以使用在中断处理程序中。

读写自旋锁：也叫共享/排斥锁，或者并发/排斥锁。多个读操作可以安全地获得同一个读锁，而写操作为了互斥访问只能等待，只有所有的读者都释放了锁，写操作才能获得锁。

7.3.信号量

由Dijkstra在1968年提出，荷兰人。信号量支持两个原子操作P()和V(),这两个名字来自荷兰语Proberen和Vershogen。前者叫做测试操作（字面意思是探查），后者叫做增加操作。

后来的系统把两种操作分别叫做down()和up()。

down()操作通过对信号量计数减1来请求获得一个信号量。

up()操作用来释放信号量。

是一种睡眠锁，当一个从操作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，然后让其睡眠。这时处理器能重获自由，去执行其他代码。

7.3.1.信号量的特点：

1)适用于锁会被长时间持有的情况；

2)只能在进程上下文中使用，不能在中断上下文中使用；

7.3.2.计数信号量和二值信号量

信号量可以同时允许任意数量的锁的持有者，这个值称为“使用者数量”（usage count）或者简单地叫数量。

二值信号量：也叫互斥信号量，计数为1，在同一时刻仅允许有一个锁持有者。

计数信号量：counting semaphone，count值为大于1的非0值。

读写信号量：是种互斥信号量，只要没有写者，并发持有读锁的读者数不限。相反，在没有读者时，只有唯一的写者可以获得写锁。

7.4.互斥体

mutex，互斥体，一个简单睡眠锁，指的是任何可以睡眠的强制互斥锁。其行为和互斥信号量类似，但是操作接口更简单，实现也更高效，而且使用限制更强。

它不同于信号量，它仅仅是实现了Dijkstra设计初衷中的最基本的行为。

互斥体的特点：

1)任何时刻中只有一个任务可以持有mutex；

2)给mutex上锁者必须负责给其再解锁；最常用的方式是：在同一个上下文中上锁和解锁。

3)当持有一个mutex时，进程不可以退出。

4)mutex不能在中断或者下半部中使用；

5)mutex只能通过官方API管理

mutex和信号量很相似，内核中两者共存会令人混淆。使用规范是：首选mutex，只有碰到特殊场合（一般是很底层代码）才会需要使用信号量。

7.5.完成变量

completion variable，当一个任务完成任务后，就会使用“完成变量”去唤醒在等待的任务。是一种代替信号量的一个简单的解决办法。

7.6.大内核锁(BKL)

是一种全局自旋锁。使用它主要是为了方便实现从Linux最初的SMP过渡到细粒度加锁机制。

BKL的特点：

1)持有BKL的任务仍然可以睡眠，但不是说睡眠是安全的。

2)BKL是一种递归锁；一个进程可以多次请求一个锁，但是必须调用同样次数的解锁操作。在最后一个解锁操作完成后，锁才会被释放。

3)BKL只可以用在进程上下文中。

4)BKL在被持有时同样会禁止内核抢占。

5)新的用户不允许使用BKL。

多数情况下，BKL更像是保护代码而不是保护数据。

7.7.顺序锁

简称seq锁，是在2.6版本内核中才引入的一种新型锁。用于读写共享数据。

实现这种锁主要依靠一个序列计数器。当有疑义的数据被写入时，会得到一个锁，并且序列值会增加。

只要没有其他写者，写锁总是能够被成功获得。读者不会影响写锁，这与读写自旋锁及信号量一样。不同的是不允许读者让写者饥饿，写优先于读。

7.8.禁止抢占

preempt_disable()/preempt_enable()成对调用，禁止/释放内核抢占，支持嵌套调用

7.9.屏障

barriers，用于确保顺序的指令称为屏障。

程序代码的顺序，在处理器执行阶段，会在取指令和分派对时，把表面上看似无关的指令按自认为最好的顺序排列。

大多数情况下，这样的排序是最佳的。尽管有时候程序员知道什么是最好的顺序。

barrier()方法可以防止编译器跨屏障对载入或存储操作进行优化。

内存屏障指令（如rmb()/wmb()/mb()）可以完成编译器屏障的功能，但是编译器屏障要比内存屏障轻量得多。