第九章：内核同步介绍

Posted 2021-02-13 use-d

程序员需要留意保护共享资源，防止共享资源禀赋访问，如果多个执行线程同时访问和操作数据，有可能发生各现场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的状态。

Linux内核是抢占式内核，意味着调度程序可以在任何时刻抢占正在运行的内核代码，重新调度其他的进程执行。

 

9.1 临界区竞争条件

所谓临界区就是访问和操作共享数据的代码段。

由于多线程操作共享资源的不安全，为避免在临界区中并发访问，编程者必须保证这些代码时原子性的，就是说操作在结束前不可被打断。

所谓竞争条件：如果两个线程有可能处于同一个临界区中同时执行，那么这就是程序包含的一个bug。如果发生了这种情况，我们称之为竞争条件。

避免并发和防止竞争条件称为同步（synchronization）

 

9.1.1 为什么我们需要保护

以银行取钱为例：

A、B同时读取卡里的金额都是100，A取了90元的同时，B取了10元，可能会发生最后余额显示剩余90元的情况。

为了保证类似的情况不发生，需要在某些操作中增加锁，确保每个事务相对于其他任何事务的操作都是原子性的。

 

9.1.2单个变量

考虑一个非常简单的共享资源：一个全局整型变量和一个简单的临界区，其中操作仅仅是将整型的值加1：

操作过程如下：

得到当前变量i的值并拷贝到一个寄存器中

将寄存器中的值加1

把i的新值写回到内存中。

如果现在两个线程同时执行并进入这个临界区，如果i的初始值为7，那么所期望的值应该为9，例如下面：

A线程获得i（7），增加i（7->8）,写回i（8）， 然后B线程获得i（8），增加i（8->9）,写回i（9）

但是实际情况可能是如下：

A、B线程获得i（7），A增加i（7->8），同时B增加i（7->8）,最后A、B两个线程写回i都是8.

以上是一个最简单的临界区的例子。

对于以上这个例子，我们需要将这些指令变为不可分割的整体来执行就可以了。多数处理器提供了指令来原子地读取变量、增加变量，然后再写会变量。

 

9.2加锁

当处理的是一个队列的所有请求时，我们可以假定该队列是以链表方式实现的，所有链表中的每个节点都代表一个请求，两个函数一个是向队列中增加数据，一个是从队列中获得数据，如果存在多个线程同时读取或者添加该链表结构，就可能发生数据不一致的问题。

针对以上情况，需要一个方法确保一次有且只有一个线程对数据结构进行操作，或者当另一个线程在对临界区标记时，就禁止其他访问。

前面讲的请求队列，可以使用一个单独的锁进行保护，当一个新请求要加入队列时，线程会首先锁住队列，然后就可以安全的将请求加入到队列中，结束操作后再释放该锁。

一个时刻只能有一个线程持有锁，所以在一个时刻只有一个线程可以操作队列。

如果一个线程正在操作队列，另一个线程出现了，那么第二个线程必须等待第一个线程释放锁，他才可以继续进行。

锁有多种多样的形式，而且枷锁的粒度范围也不同，LInux自身实现了集中不同的锁机制。

锁是采用原子操作实现的，而原子操作不存在竞争。

 

9.2.1造成并发执行的原因

用户空间之所以需要同步，是因为用户程序会被调度程序抢占和重新调度。

由于用户进程可以在任何时刻被抢占，而调度程序完全可能选择另一个优先级更高的进程到处理器上执行，所以就会使得一个程序正处于临界区，被非自愿的抢占了，如果新调度的进程随后进入同一临界区，前后两个进程互相之间就会产生竞争，

内核中类似可能造成并发执行的原因，它们是：

中断：中断几乎可以在任何时刻异步发生。

软中断和tasklet：内核能在任何时刻唤醒或者调度软中断和tasklet。

内核抢占：因为内核具有抢占行，所以内核中的任务可能会被另一任务抢占。

睡眠及与用户空的同步：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。

 

9.2.2了解要保护些什么

找出哪些数据需要保护是关键所在。

到底什么数据需要加锁那？大多数内核数据结构都需要加锁！，有一条很好的经验可以帮助我们判断：如果有其他执行线程可以访问这些数据，那么久给这些数据加上某种形式的锁：

记住：要给数据而不是代码加锁。

 

9.3死锁

死锁产生的条件：要一个或者多个执行线程和一个或者多个资源，每个线程都在登台其中一个资源，但是所有的资源都已经被锁占用，所有的线程都互相等待其他线程的已经被锁定的资源，但他们永远不会释放已占用的资源。

最简单的死锁是自死锁：如果一个执行线程试图获得一个自己已经持有的锁，它将不得不等待锁释放，但因为它正在忙着等待这个锁，所以自己永远不会有机会释放锁，最终的结果如下：

获得锁；

再次试图获得锁；

等待锁重新可用；

 

预防死锁的一些简单规则：

按顺序加锁：使用嵌套锁时必须按顺序获得锁，这样可以阻止致命拥抱类型的死锁。

防止发生饥饿：不要一直等待获得一个锁；

不要重复请求同一个锁；

设计应力求简单：越复杂的加锁方案越有可能造成死锁；

 

9.4争用和扩展性

锁的争用：指当锁正在被占用时，其他线程试图获得该锁。

一个锁处于高争用状态：表示多个其他线程在等待获得该锁。

锁的作用：可以使程序按照串行的方式对资源进行访问，所以使用锁会降低系统的性能。

高度争用的锁会成为系统的瓶颈，严重会降低系统性能。

 

扩展性：是对系统可扩展性程度的一个度量；

 

加锁的粗细粒度会影响系统的性能，例如对整个链表加锁和对链表中每个节点加锁，这两加锁方式，前一种不如后一种性能高，并且可以降低竞争的发生，提供操作性能。

 

当加锁严重时，会降低可扩张性，而锁争用不明显时，加锁过细会加大系统开销，带来浪费。

 

注意：在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。