linux内核同步问题

Linux内核设计与实现 十、内核同步方法

手把手教Linux驱动5-自旋锁、信号量、互斥体概述

== 基础概念： ==

并发 ：多个执行单元同时进行或多个执行单元微观串行执行，宏观并行执行

竞态 ：并发的执行单元对共享资源（硬件资源和软件上的全局变量）的访问而导致的竟态状态。

临界资源 ：多个进程访问的资源

临界区 ：多个进程访问的代码段

== 并发场合： ==

1、单CPU之间进程间的并发 :时间片轮转，调度进程。 A进程访问打印机，时间片用完，OS调度B进程访问打印机。

2、单cpu上进程和中断之间并发 ：CPU必须停止当前进程的执行中断

3、多cpu之间

4、单CPU上中断之间的并发

== 使用偏向： ==

==信号量用于进程之间的同步，进程在信号量保护的临界区代码里面是可以睡眠的（需要进行进程调度），这是与自旋锁最大的区别。==

信号量又称为信号灯，它是用来协调不同进程间的数据对象的，而最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。它负责协调各个进程，以保证他们能够正确、合理的使用公共资源。它和spin lock最大的不同之处就是：无法获取信号量的进程可以睡眠，因此会导致系统调度。

1、==用于进程与进程之间的同步==

2、==允许多个进程进入临界区代码执行，临界区代码允许睡眠；==

3、信号量本质是==基于调度器的==，在UP和SMP下没有区别；进程获取不到信号量将陷入休眠，并让出CPU；

4、不支持进程和中断之间的同步

5、==进程调度也是会消耗系统资源的，如果一个int型共享变量就需要使用信号量，将极大的浪费系统资源==

6、信号量可以用于多个线程，用于资源的计数（有多种状态）

==信号量加锁以及解锁过程：==

sema_init(&sp->dead_sem, 0)/ 初始化 /

down(&sema)

临界区代码

up(&sema)

==信号量定义：==

==信号量初始化：==

==dowm函数实现：==

==up函数实现：==

信号量一般可以用来标记可用资源的个数。

举2个生活中的例子：

==dowm函数实现原理解析：==

（1）down

判断sem->count是否 >0，大于0则说明系统资源够用，分配一个给该进程，否则进入__down(sem)

（2）__down

调用__down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT)其中TASK_UNINTERRUPTIBLE=2代表进入睡眠，且不可以打断；MAX_SCHEDULE_TIMEOUT休眠最长LONG_MAX时间；

（3）list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list)

把当前进程加入到sem->wait_list中；

（3）先解锁后加锁

进入__down_common前已经加锁了，先把解锁，调用schedule_timeout(timeout)，当waiter.up=1后跳出for循环；退出函数之前再加锁；

Linux内核ARM构架中原子变量的底层实现研究

rk3288 原子 *** 作和原子位 *** 作

原子变量适用于只共享一个int型变量；

1、原子 *** 作是指不被打断的 *** 作，即它是最小的执行单位。

2、最简单的原子 *** 作就是一条条的汇编指令(不包括一些伪指令，伪指令会被汇编器解释成多条汇编指令)

==常见函数：==

==以atomic_inc为例介绍实现过程==

在Linux内核文件archarmincludeasmatomic.h中。 执行atomic_read、atomic_set这些 *** 作都只需要一条汇编指令，所以它们本身就是不可打断的。 需要特别研究的是atomic_inc、atomic_dec这类读出、修改、写回的函数。

所以atomic_add的原型是下面这个宏：

atomic_add等效于：

result（%0） tmp（%1） (v->counter)（%2） (&v->counter)（%3） i（%4）

注意：根据内联汇编的语法，result、tmp、&v->counter对应的数据都放在了寄存器中 *** 作。如果出现上下文切换，切换机制会做寄存器上下文保护。

（1）ldrex %0, [%3]

意思是将&v->counter指向的数据放入result中，并且（分别在Local monitor和Global monitor中）设置独占标志。

（2）add %0, %0, %4

result = result + i

（3）strex %1, %0, [%3]

意思是将result保存到&v->counter指向的内存中， 此时 Exclusive monitors会发挥作用，将保存是否成功的标志放入tmp中。

（4） teq %1, #0

测试strex是否成功（tmp == 0 ？？）

（5）bne 1b

如果发现strex失败，从（1）再次执行。

Spinlock 是内核中提供的一种比较常见的锁机制，==自旋锁是“原地等待”的方式解决资源冲突的==，即，一个线程获取了一个自旋锁后，另外一个线程期望获取该自旋锁，获取不到，只能够原地“打转”（忙等待）。由于自旋锁的这个忙等待的特性，注定了它使用场景上的限制 —— 自旋锁不应该被长时间的持有（消耗 CPU 资源），一般应用在==中断上下文==。

1、spinlock是一种死等机制

2、信号量可以允许多个执行单元进入，spinlock不行，一次只能允许一个执行单元获取锁，并且进入临界区，其他执行单元都是在门口不断的死等

3、由于不休眠，因此spinlock可以应用在中断上下文中；

4、由于spinlock死等的特性，因此临界区执行代码尽可能的短；

==spinlock加锁以及解锁过程：==

spin_lock(&devices_lock)

临界区代码

spin_unlock(&devices_lock)

==spinlock初始化==

==进程和进程之间同步==

==本地软中断之间同步==

==本地硬中断之间同步==

==本地硬中断之间同步并且保存本地中断状态==

==尝试获取锁==

== arch_spinlock_t结构体定义如下： ==

== arch_spin_lock的实现如下： ==

lockval（%0） newval（%1） tmp（%2） &lock->slock（%3） 1 <<TICKET_SHIFT（%4）

（1）ldrex %0, [%3]

把lock->slock的值赋值给lockval；并且（分别在Local monitor和Global monitor中）设置独占标志。

（2）add %1, %0, %4

newval =lockval +（1<<16）相当于next+1；

（3）strex %2, %1, [%3]

newval =lockval +（1<<16）相当于next+1；

意思是将newval保存到 &lock->slock指向的内存中， 此时 Exclusive monitors会发挥作用，将保存是否成功的标志放入tmp中。

（4） teq %2, #0

测试strex是否成功

（5）bne 1b

如果发现strex失败，从（1）再次执行。

通过上面的分析，可知关键在于strex的 *** 作是否成功的判断上。而这个就归功于ARM的Exclusive monitors和ldrex/strex指令的机制。

（6）while (lockval.tickets.next != lockval.tickets.owner)

如何lockval.tickets的next和owner是否相等。相同则跳出while循环，否则在循环内等待判断；

* （7）wfe()和smp_mb() 最终调用#define barrier() asm volatile ("": : :"memory") *

阻止编译器重排，保证编译程序时在优化屏障之前的指令不会在优化屏障之后执行。

== arch_spin_unlock的实现如下： ==

退出锁时：tickets.owner++

== 出现死锁的情况： ==

1、拥有自旋锁的进程A在内核态阻塞了，内核调度B进程，碰巧B进程也要获得自旋锁，此时B只能自旋转。 而此时抢占已经关闭，（单核）不会调度A进程了，B永远自旋，产生死锁。

2、进程A拥有自旋锁，中断到来，CPU执行中断函数，中断处理函数，中断处理函数需要获得自旋锁，访问共享资源，此时无法获得锁，只能自旋，产生死锁。

== 如何避免死锁： ==

1、如果中断处理函数中也要获得自旋锁，那么驱动程序需要在拥有自旋锁时禁止中断；

2、自旋锁必须在可能的最短时间内拥有

3、避免某个获得锁的函数调用其他同样试图获取这个锁的函数，否则代码就会死锁；不论是信号量还是自旋锁，都不允许锁拥有者第二次获得这个锁，如果试图这么做，系统将挂起；

4、锁的顺序规则（a) 按同样的顺序获得锁；b) 如果必须获得一个局部锁和一个属于内核更中心位置的锁，则应该首先获取自己的局部锁 c) 如果我们拥有信号量和自旋锁的组合，则必须首先获得信号量；在拥有自旋锁时调用down(可导致休眠)是个严重的错误的；）

== rw（read/write）spinlock： ==

加锁逻辑：

1、假设临界区内没有任何的thread，这个时候任何的读线程和写线程都可以键入

2、假设临界区内有一个读线程，这时候信赖的read线程可以任意进入，但是写线程不能进入；

3、假设临界区有一个写线程，这时候任何的读、写线程都不可以进入；

4、假设临界区内有一个或者多个读线程，写线程不可以进入临界区，但是写线程也无法阻止后续的读线程继续进去，要等到临界区所有的读线程都结束了，才可以进入，可见：==rw（read/write）spinlock更加有利于读线程；==

== seqlock（顺序锁）： ==

加锁逻辑：

1、假设临界区内没有任何的thread，这个时候任何的读线程和写线程都可以键入

2、假设临界区内没有写线程的情况下，read线程可以任意进入；

3、假设临界区有一个写线程，这时候任何的读、写线程都不可以进入；

4、假设临界区内只有read线程的情况下，写线程可以理解执行，不会等待，可见：==seqlock（顺序锁）更加有利于写线程；==

读写速度 ： CPU >一级缓存 >二级缓存 >内存 ，因此某一个CPU0的lock修改了，其他的CPU的lock就会失效；那么其他CPU就会依次去L1 L2和主存中读取lock值，一旦其他CPU去读取了主存，就存在系统性能降低的风险；

mutex用于互斥 *** 作。

互斥体只能用于一个线程，资源只有两种状态（占用或者空闲）

1、mutex的语义相对于信号量要简单轻便一些，在锁争用激烈的测试场景下，mutex比信号量执行速度更快，可扩展

性更好，

2、另外mutex数据结构的定义比信号量小、

3、同一时刻只有一个线程可以持有mutex

4、不允许递归地加锁和解锁

5、当进程持有mutex时，进程不可以退出。

• mutex必须使用官方API来初始化。

• mutex可以睡眠，所以不允许在中断处理程序或者中断下半部中使用，例如tasklet、定时器等

==常见 *** 作：==

struct mutex mutex_1

mutex_init(&mutex_1)

mutex_lock(&mutex_1)

临界区代码；

mutex_unlock(&mutex_1)

==常见函数：==

=

From : https://blog.csdn.net/qq_39382769/article/details/960753461.同一个线程内部，指令按照先后顺序执行；但不同线程之间的指令很难说清楚是哪一个先执行，在并发情况下，指令执行的先后顺序由内核决定。 如果运行的结果依赖于不同线程执行的先后的话，那么就会形成竞争条件，在这样的情况下，计算的结果很难预知，所以应该尽量避免竞争条件的形成。 2.最常见的解决竞争条件的方法是：将原先分离的两个指令构成一个不可分割的原子 *** 作，而其他任务不能插入到原子 *** 作中！ 3.对多线程来说，同步指的是在一定时间内只允许某一个线程访问某个资源，而在此时间内，不允许其他线程访问该资源! 互斥锁 条件变量 读写锁 信号量 一种特殊的全局变量，拥有lock和unlock两种状态。 unlock的互斥锁可以由某个线程获得，一旦获得，这个互斥锁会锁上变成lock状态，此后只有该线程由权力打开该锁，其他线程想要获得互斥锁，必须得到互斥锁再次被打开之后。 1.互斥锁的初始化, 分为静态初始化和动态初始化. 2.互斥锁的相关属性及分类 (1) attr表示互斥锁的属性 (2) pshared表示互斥锁的共享属性，由两种取值： 1）PTHREAD_PROCESS_PRIVATE：锁只能用于一个进程内部的两个线程进行互斥（默认情况） 2）PTHREAD_PROCESS_SHARED：锁可用于两个不同进程中的线程进行互斥，使用时还需要在进程共享内存中分配互斥锁，然后为该互斥锁指定属性就可以了。 互斥锁存在缺点： （1）某个线程正在等待共享数据内某个条件出现。 （2）重复对数据对象加锁和解锁（轮询），但是这样轮询非常耗费时间和资源，而且效率非常低，所以互斥锁不太适合这种情况。 当线程在等待满足某些条件时，使线程进入睡眠状态；一旦条件满足，就换线因等待满足特定条件而睡眠的线程。 程序的效率无疑会大大提高。 1）创建 静态方式：pthread_cond_t cond PTHREAD_COND_INITIALIZER 动态方式：int pthread_cond_init(&cond,NULL) Linux thread 实现的条件变量不支持属性，所以NULL(cond_attr参数） 2）注销 int pthread_cond_destory(&cond) 只有没有线程在该条件变量上，该条件变量才能注销，否则返回EBUSY 因为Linux实现的条件变量没有分配什么资源，所以注销动作只包括检查是否有等待线程!(请参考条件变量的底层实现） 3）等待 条件等待：int pthread_cond_wait(&cond,&mutex) 计时等待：int pthread_cond_timewait(&cond,&mutex,time) 1.其中计时等待如果在给定时刻前条件没有被满足，则返回ETIMEOUT，结束等待 2.无论那种等待方式，都必须有一个互斥锁配合，以防止多个线程同时请求pthread_cond_wait形成竞争条件！ 3.在调用pthread_cond_wait前必须由本线程加锁 4）激发 激发一个等待线程：pthread_cond_signal(&cond) 激发所有等待线程：pthread_cond_broadcast(&cond) 重要的是，pthread_cond_signal不会存在惊群效应，也就是是它最多给一个等待线程发信号，不会给所有线程发信号唤醒，然后要求他们自己去争抢资源！ pthread_cond_broadcast() 唤醒所有正在pthread_cond_wait()的同一个条件变量的线程。注意：如果等待的多个现场不使用同一个锁，被唤醒的多个线程执行是并发的。pthread_cond_broadcast &pthread_cond_signal1.读写锁比互斥锁更加具有适用性和并行性 2.读写锁最适用于对数据结构的读 *** 作读 *** 作次数多余写 *** 作次数的场合！ 3.锁处于读模式时可以线程共享，而锁处于写模式时只能独占，所以读写锁又叫做共享-独占锁。 4.读写锁有两种策略：强读同步和强写同步 强读同步： 总是给读者更高的优先权，只要写者没有进行写 *** 作，读者就可以获得访问权限 强写同步： 总是给写者更高的优先权，读者只能等到所有正在等待或者执行的写者完成后才能进行读 1）初始化的销毁读写锁 静态初始化：pthread_rwlock_t rwlock=PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER 动态初始化：int pthread_rwlock_init(rwlock，NULL)，NULL代表读写锁采用默认属性 销毁读写锁：int pthread_rwlock_destory(rwlock) 在释放某个读写锁的资源之前，需要先通过pthread_rwlock_destory函数对读写锁进行清理。释放由pthread_rwlock_init函数分配的资源 如果你想要读写锁使用非默认属性，则attr不能为NULL，得给attr赋值 int pthread_rwlockattr_init(attr),给attr初始化 int pthread_rwlockattr_destory(attr)，销毁attr 2）以写的方式获取锁，以读的方式获取锁，释放读写锁 int pthread_rwlock_rdlock(rwlock),以读的方式获取锁 int pthread_rwlock_wrlock(rwlock)，以写的方式获取锁 int pthread_rwlock_unlock(rwlock),释放锁 上面两个获取锁的方式都是阻塞的函数，也就是说获取不到锁的话，调用线程不是立即返回，而是阻塞执行，在需要进行写 *** 作的时候，这种阻塞式获取锁的方式是非常不好的，你想一下，我需要进行写 *** 作，不但没有获取到锁，我还一直在这里等待，大大拖累效率 所以我们应该采用非阻塞的方式获取锁： int pthread_rwlock_tryrdlock(rwlock) int pthread_rwlock_trywrlock(rwlock) 互斥锁只允许一个线程进入临界区，而信号量允许多个线程进入临界区。 1）信号量初始化 int sem_init(&sem,pshared, v) pshared为0，表示这个信号量是当前进程的局部信号量。 pshared为1，表示这个信号量可以在多个进程之间共享。 v为信号量的初始值。 返回值： 成功：0，失败：-1 2）信号量值的加减 int sem_wait(&sem):以原子 *** 作的方式将信号量的值减去1 int sem_post(&sem):以原子 *** 作的方式将信号量的值加上1 3）对信号量进行清理 int sem_destory(&sem)

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