《Linux核心設計與實現》學習【5】—— 核心同步

1 基本概念

  臨界區：訪問和操作共享資料的程式碼段
  競爭條件：多個執行執行緒處於同一臨界區中同時執行
  同步：避免併發和防止競爭條件

2 造成併發執行的原因

  （1）中斷：中斷隨時會發生，也就會隨時打斷當前執行的程式碼。
  （2）軟中斷和tasklet：軟中斷和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程式碼
  （3）核心搶佔：核心具有搶佔性，發生搶佔時，如果搶佔的執行緒和被搶佔的執行緒在相同的臨界區，就產生了競爭條件
  （4）睡眠及使用者空間的同步：使用者程式睡眠後，排程程式會喚醒一個新的使用者程式，新的使用者程式和睡眠的程式可能在同一個臨界區中
  （5）對稱多處理：2個或多個處理器可以同時執行相同的程式碼
  注意：要給資料加鎖而不是給程式碼加鎖。

3 死鎖

（1）產生原因
  一個或多個執行執行緒和一個或多個資源，每個執行緒都在等待其中一個資源，但所有資源已經都被佔了。所有執行緒相互等待，但他們永遠不會釋放已經佔有的資源。
（2）避免死鎖
  1）按順序加鎖，使用巢狀的鎖時，必須保證以相同的順序獲取鎖。
  2）防止發生飢餓。即設定一個超時時間，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鎖。

4 核心同步方法

4.1 原子操作

  atomic_t型別定義在<linux/types.h>
  32位：atomic_t
  64位：atomic64_t

4.2 自旋鎖

  自旋鎖（spin lock），只能被一個執行緒持有，某個執行緒試圖獲取鎖，該執行緒會忙-旋轉-等待。
  基本使用：

DEFINE_SPINLOCK(mr_lock);
spin_lock(&mr_lock);
//臨界區
spin_unlock(&mr_lock);

注意：
  1）可用在中斷處理程式中
  2）在獲取鎖前，首先禁止當前處理器上的本地中斷

4.3 讀寫鎖

  多個讀任務可以併發地持有鎖，只能有一個任務可以持有寫鎖
  使用

DEFINE_RWLOCK(mr_rwlock);

read_lock(&mr_rwlock);
/* 臨界區(只讀).... */
read_unlock(&mr_rwlock);

write_lock(&mr_lock);
/* 臨界區(讀寫)... */
write_unlock(&mr_lock);

4.4 訊號量

  是一種睡眠鎖，當任務不能獲取訊號量時，睡眠。
  適用於長時間持有的情況
  兩種：計數訊號量、二值訊號量

/* 定義並宣告一個訊號量，名字為mr_sem，用於訊號量計數 */
static DECLARE_MUTEX(mr_sem);

/* 試圖獲取訊號量....*/
if(down_interruptible(&mr_sem)){
	...
}

/* 臨界區 ... */

/* 釋放給定的訊號量 */
up(&mr_sem);

4.5 讀寫訊號量

  與讀寫自旋鎖類似。

4.6 互斥體

  類似二值訊號量。
  相對訊號量，優先選擇互斥體。
  自旋鎖和互斥量

需求	建議的加鎖方法
低開銷加鎖	優先使用自旋鎖
短期鎖定	優先使用自旋鎖
長期加鎖	優先使用互斥體
中斷上下文中加鎖	使用自旋鎖
持有鎖需要睡眠	使用互斥體

4.7 完成變數

  一個任務執行工作，另一個任務在完成變數上等待，類似訊號量。
  方法

方法	描述
init_completion(struct completion *)	初始化指定的動態建立的完成變數
wait_for_completion(struct completion *)	等待指定的完成變數接受訊號
complete(struct completion *)	發訊號喚醒任何等待任務

4.8 BLK：大核心鎖

  不鼓勵使用，部分程式碼中依然沿用。
  特性：
  1）持有BLK的任務可以睡眠
  2）遞迴鎖
  3）只可以用在程式上下文中

4.9 順序鎖

  讀鎖被獲取時，寫鎖仍然可以被獲取。依靠一個序列計數器，當有疑義的資料被寫入時，序列值增加。
  使用

//定義
seqlock_t mr_seq_lock = DEFINE_SEQLOCK(mr_seq_lock);

//寫
write_seqlock(&mr_seq_lock);
/*寫鎖被獲取*/
write_sequnlock(&mr_seq_lock);

//讀
unsigned long seq;
do
{
    seq = read_seqbegin(&mr_seq_lock);
	...
} while(read_seqretry(&mr_seq_lock, seq)); 

  適用：資料存在多個讀者，寫者很少，希望寫優先於讀，資料簡單

4.10 禁止搶佔

  對於SMP，某些情況不需要自旋鎖，但仍需要關閉核心搶佔。

preempt_disable()
/*搶佔被禁止*/
preempt_enable()

4.11 順序和屏障

  目的：確保指令順序執行，不被處理器重排序