第5章 内核同步

1 内核抢占

定义：内核控制路径被其他内核进程抢占，称为内核抢占

条件：进程描述符thread_info的抢占计数器preempt_count字段<=0 && 中断打开

发生时机：

• 结束内核控制路径（通常是中断处理程序）时
• 异常处理程序调用preempt_enable()时
• 启用可延迟函数（软中断，tasklet）时

Linux 2.6开始，内核是抢占式的！

 

 

2 同步原语

2.1 每CPU变量

• 每CPU变量不是一个CPU独占的变量，而是每个CPU都会在栈中保存一份该变量，互不影响
• 系统为每CPU变量提供了一些操作宏/函数，主要是针对每CPU变量数组
• 每CPU变量也不是高枕无忧，修改时需要确保关闭内核抢占，避免被单个CPU“并行”修改
  —— 加锁也可以实现，不过既然加锁了，就没必要使用每CPU变量了，普通变量不就行了？

 

2.2 原子操作

• 普通操作：读改写分开，中间或许插入别的指令；原子操作：中间不中断
• 32位处理器访问64位变量，或者访问非对齐变量，都是非原子操作
• 内核也为原子操作提供了宏/函数：atomic_xxx()
• 系统为原子位处理提供了处理函数：test_bit()等

 

2.3 优化屏障和内存屏障

代码在编译的时候，编译器会进行优化，比如不再从内存取值，而是从寄存器取值

代码执行的时候也会进行优化，比如并行执行一些汇编语句。

优化屏障：编译的时候，认为RAM中的内存单元已被更改，不会混淆原语前的汇编指令和原语后的汇编指令

内存屏障：执行的时候，确保原语执行开始前，原语前的操作已经全部完成

 

2.4 自旋锁

自旋锁作用：

• 加锁：禁止多个CPU同时访问临界区
• 禁止内核抢占：禁止多个进程并发访问临界区

 

2.5 读写锁

• 读写锁中，读和写具有相同的优先级，谁都要等持锁的对方完成
• 和普通锁不同的是，可以有多个读同时进行
• 读写锁的锁资源数量设置为0x0100 0000，每次读前尝试锁减一，写前尝试锁减0x1000 0000，因此结果就是可以多个读，一个写 —— 很巧妙的设计方法
• down_trylock()尝试去获取信号量，如果无法获取，会立刻返回，并不会休眠 —— 可以用在中断中，适合有多个资源的情况

 

2.6 顺序锁

• 写的优先级高于读
• 写持锁，读会被阻塞
• 读持锁，写可以继续进行，并修改了顺序锁的顺序数量，读完发现顺序数量修改了，会再读一次

 

2.7 读-拷贝-更新 RCU

• 读：通过指针间接访问数据结构
• 写：生成整个数据结构的副本，写完毕使用原子操作，修改数据结构的指针指向新的副本
• 等写期间所有读完成，就把旧的副本丢弃——新的读肯定直接使用新副本了，也就是某段时间新旧副本会同时存在

 

2.8 信号量

• 获取不到资源的时候会挂起（TASK_RUNNING -> TASK_UNINTERRUPT)，所以不可以中断和可延迟函数中使用
• 有一种读写信号量，使用方法类似读写锁，读写信号量和读写锁的区别，就是锁和信号量的区别
• 信号量针对多进程使用资源，无论是单处理器还是多处理器，工作方式没有区别，也可以发生内核抢占

 

 

3 同步原语的选择

3.1 保护异常所访问的数据结构

最常见的产生同步问题的异常就是系统调用服务例程；

采取的措施就是信号量

 

3.2 保护中断所访问的数据结构

每个中断处理程序只会被串行的执行，如果一个结构只被一个中断处理程序使用，不用考虑同步问题；

如果多个中断处理程序访问一个数据结构，需要根据单/多处理器系统采取不同的错误同步：

• 单处理器：禁止中断，也就禁止了中断嵌套，保证一个中断执行完才会执行完另一个中断 —— 单处理器不能使用自旋锁，否则可能会卡死
• 多处理器：禁止中断（本地中断），同时使用锁

 

3.3 保护可延迟函数所访问的数据结构

可延迟函数总是在一个CPU上串行执行，所以单处理系统不需要保护；

多处理器系统，需要使用锁来保护可延迟函数；

tasklet是内核实现好的可延迟函数，会自动保证其在多个处理器上的串行执行，因此不需要保护。