核心同步介紹

版權聲明：您好，轉載請留下本人部落格的位址，謝謝 https://blog.csdn.net/hongbochen1223/article/details/48318965

（一）：臨界區和競争條件

所謂臨界區（也稱為臨界段）就是通路和操作共享資料的代碼段．多個執行線程并發通路同一個資源通常是不安全的，為了避免在臨界區中并發通路，程式設計者必須保證這些代碼原子的執行－－也就是說，操作在執行結束前不能被打斷，就如同整個臨界區是一個不可分割的指令一樣．如果兩個執行線程有可能處于同一個臨界區中同時執行，那麼這就是程式包含的一個bug．如果這種情況确實發生了，我們就成他是競争條件，這樣命名是因為這裡會存線上程競争．避免并發和防止競争條件稱為同步．

１：單個變量

現在，首先看一個特殊計算的例子．考慮一個非常簡單的共享資源：一個全局整型變量和一個簡單的臨界區．其中的操作僅僅是将整型變量的值增加１．

i++;

該操作可以轉換成類似于下面動作的機器指令序列：

得到目前變量i 的值并且拷貝到一個寄存器中

将寄存器中的值加１

把ｉ的新值寫會到記憶體中

現在假定有兩個執行線程同時進入臨界區，如果i的初始值是７，那麼我們所期望的結果應該像下面這樣（每一行代表一個時間單元）：

線程１        線程２
擷取i(7)         --------
增加i(7->8)    --------
寫回i(8)         --------
---------          獲得i(8)
---------          增加i(8->9)
---------          寫回i(9)
           

這是我們所期望的，但是實際上的運作情況可能是這樣的：

線程１        線程２
獲得i(7)        獲得i(7)
增加i(7->8)   ---------
-------------     增加i(7->8)
寫回i(8)        -----------
------------     寫回i(8)
           

這樣就不是我們希望出現的結果了，但是實際情況中這種現象也是可能會發生的．那麼這種情況解決起來也是相對比較簡單的－－－我們僅僅需要将這些指令作為一個不可分割的整體來執行就可以了．多數處理器都提供了指令來原子的讀變量，增加變量，然後寫回變量，使用這樣的指令就能解決一些問題．使用這個指令唯一的可能結果為：

線程１        線程２
增加i(7->8)    ---------
--------------    增加i(8->9)
           

或者是相反

線程１        線程２
--------    增加i(7->８)
增加i(8->9)    ---------
           

兩個原子操作執行根本就不可能發生，因為處理器會從實體上確定這種不可能．

（二）：加鎖

鎖有多種多樣的形式，而且加鎖的粒度也各不相同－－－Linux自身實作了幾種不同的鎖機制．各種鎖機制之間的差別主要在于:當鎖已經被其他線程持有，因而不可用時的行為表現－－一些鎖被争用時會簡單的執行忙等待，而另外一些鎖會使目前任務睡眠知道鎖可用為止．

１：造成并發執行的原因

使用者空間之是以需要同步，是因為使用者程式會被排程程式搶占和重新排程．由于使用者程序可能在任何時刻被搶占，而排程程式完全可能選擇另一個高優先級的程序到處理器上執行，是以就會使得一個程式正處于臨界區的時候，被非自願地搶占了．如果新排程的程序随後也進入同一個臨界區（比如說這兩個程序要操作共享的記憶體，或者向同一個檔案描述符寫入），前後兩個程序互相之間就會産生競争．另外，因為信号處理是異步發生的，是以，即使是單線程的多個程序共享檔案，或者是在同一程式内部處理信号，也有可能産生競争條件．這種類型的并發操作－－這裡其實兩者并不真是同時發生的，但他們互相交叉進行，是以也被稱作僞并發執行．

如果有一台支援對稱多處理器的機器，那麼兩個程序就可以真正的在臨界區中同時執行，這種類型稱為真并發．

核心中有類似可能造成并發執行的原因．他們是：

中斷－－中斷幾乎可以在任何時刻異步發生，也就可能随時打斷目前正在執行的代碼

軟中斷和tasklet－－核心能在任何時刻喚醒或排程軟中斷和tasklet，打斷目前正在執行的代碼

核心搶占－－因為核心具有搶占性，是以核心中的任務可能會被另一個任務搶占

睡眠及使用者空間的同步－－在核心執行的程序可能會睡眠，這就會喚醒排程程式，進而導緻排程一個新的使用者程序執行

對稱多處理器－－兩個或多個處理器可以同時執行代碼

在中斷處理程式中能避免并發通路的安全代碼稱作中斷安全代碼；在對稱多處理器的機器中能避免并發通路的安全代碼稱為SMP安全代碼(SMP-safe)．在核心搶占的時候能避免并發通路的安全代碼稱為搶占安全代碼．

２：需要給那些資料加鎖

如果有其他線程可以通路這些資料，那麼就給這些資料加上鎖；如果任何其他什麼東西都能看到他，那麼就要鎖住他．記住：要給資料加鎖而不是給代碼加鎖．

（三）死鎖

死鎖的産生需要一定條件：要有一個或多個執行線程和一個或多個資源，每個線程都在等待其中的一個資源，但所有的資源都已經被占用了．所有的線程都在互相等待，但他們永遠不會釋放已經占有的資源．于是任何線程都無法繼續，這便意味着死鎖的發生．

最簡單的死鎖的例子是自死鎖：如果一個執行線程試圖去獲得一個自己已經持有的鎖，他将不得不等待鎖被釋放，但他正在忙着等待這個鎖，是以自己永遠不會有機會釋放所，最終結果是死鎖．

一些簡單的規則對避免死鎖有非常大的幫助：

１：按順序加鎖，盡量按相反的順序釋放鎖．使用嵌套的鎖時，必須保證以相同的順序擷取鎖，這樣可以阻止緻命擁抱類型的死鎖．

２：防止發生饑餓

３：不要重複請求同一個鎖

４：設計力求簡單－－越複雜的加鎖方案有可能造成死鎖

（四）：争用和擴充性

鎖的争用，或簡稱争用，是指當鎖正在被占用的時候，有其他線程試圖獲得該鎖．說一個鎖處于高度争用狀态，就是指有多個其他線程在等待獲得該鎖．

擴充性是對系統可擴充程度的一個度量．