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：==

=

朋友你好：希望能帮到你。互相学习。

线程的最大特点是资源的共享性，但资源共享中的同步问题是多线程编程的难点。linux下提供了多种方式来处理线程同步，最常用的是互斥锁、条件变量和信号量。

1）互斥锁（mutex）

通过锁机制实现线程间的同步。同一时刻只允许一个线程执行一个关键部分的代码。

int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *mutex,const pthread_mutex_attr_t *mutexattr)

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex *mutex)

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex *mutex)

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex *

(1)先初始化锁init()或静态赋值pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIER

attr_t有:

PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:其余线程等待队列

PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP:嵌套锁,允许线程多次加锁,不同线程,解锁后重新竞争

PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:检错,与一同,线程请求已用锁,返回EDEADLK

PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:适应锁,解锁后重新竞争

(2)加锁,lock,trylock,lock阻塞等待锁,trylock立即返回EBUSY

(3)解锁,unlock需满足是加锁状态,且由加锁线程解锁

(4)清除锁,destroy(此时锁必需unlock,否则返回EBUSY,//Linux下互斥锁不占用内存资源

示例代码

#include <cstdio>

#include <cstdlib>

#include <unistd.h>

#include <pthread.h>

#include "iostream"

using namespace std

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

int tmp

void* thread(void *arg)

{

cout <<"thread id is " <<pthread_self() <<endl

pthread_mutex_lock(&mutex)

tmp = 12

cout <<"Now a is " <<tmp <<endl

pthread_mutex_unlock(&mutex)

return NULL

}

int main()

{

pthread_t id

cout <<"main thread id is " <<pthread_self() <<endl

tmp = 3

cout <<"In main func tmp = " <<tmp <<endl

if (!pthread_create(&id, NULL, thread, NULL))

{

cout <<"Create thread success!" <<endl

}

else

{

cout <<"Create thread failed!" <<endl

}

pthread_join(id, NULL)

pthread_mutex_destroy(&mutex)

return 0

}

编译： g++ -o thread testthread.cpp -lpthread

说明：pthread库不是Linux系统默认的库，连接时需要使用静态库libpthread.a，所以在使用pthread_create()创建线程，以及调用pthread_atfork()函数建立fork处理程序时，需要链接该库。在编译中要加 -lpthread参数。

2）条件变量（cond）

利用线程间共享的全局变量进行同步的一种机制。条件变量上的基本 *** 作有：触发条件(当条件变为 true 时)；等待条件，挂起线程直到其他线程触发条件。

int pthread_cond_init(pthread_cond_t *cond,pthread_condattr_t *cond_attr)

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex_t *mutex)

int pthread_cond_timewait(pthread_cond_t *cond,pthread_mutex *mutex,const timespec *abstime)

int pthread_cond_destroy(pthread_cond_t *cond)

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond)

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond) //解除所有线程的阻塞

(1)初始化.init()或者pthread_cond_t cond=PTHREAD_COND_INITIALIER（前者为动态初始化，后者为静态初始化）属性置为NULL

(2)等待条件成立.pthread_wait,pthread_timewait.wait()释放锁,并阻塞等待条件变量为真，timewait()设置等待时间,仍未signal,返回ETIMEOUT(加锁保证只有一个线程wait)

(3)激活条件变量:pthread_cond_signal,pthread_cond_broadcast(激活所有等待线程)

(4)清除条件变量:destroy无线程等待,否则返回EBUSY

对于

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex)

int pthread_cond_timedwait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex, const struct timespec *abstime)

一定要在mutex的锁定区域内使用。

如果要正确的使用pthread_mutex_lock与pthread_mutex_unlock，请参考

pthread_cleanup_push和pthread_cleanup_pop宏，它能够在线程被cancel的时候正确的释放mutex！

另外，posix1标准说，pthread_cond_signal与pthread_cond_broadcast无需考虑调用线程是否是mutex的拥有者，也就是说，可以在lock与unlock以外的区域调用。如果我们对调用行为不关心，那么请在lock区域之外调用吧。

说明：

(1)pthread_cond_wait 自动解锁互斥量(如同执行了pthread_unlock_mutex)，并等待条件变量触发。这时线程挂起，不占用CPU时间，直到条件变量被触发（变量为ture）。在调用 pthread_cond_wait之前，应用程序必须加锁互斥量。pthread_cond_wait函数返回前，自动重新对互斥量加锁(如同执行了pthread_lock_mutex)。

(2)互斥量的解锁和在条件变量上挂起都是自动进行的。因此，在条件变量被触发前，如果所有的线程都要对互斥量加锁，这种机制可保证在线程加锁互斥量和进入等待条件变量期间，条件变量不被触发。条件变量要和互斥量相联结，以避免出现条件竞争——个线程预备等待一个条件变量，当它在真正进入等待之前，另一个线程恰好触发了该条件（条件满足信号有可能在测试条件和调用pthread_cond_wait函数（block）之间被发出，从而造成无限制的等待）。

(3)pthread_cond_timedwait 和 pthread_cond_wait 一样，自动解锁互斥量及等待条件变量，但它还限定了等待时间。如果在abstime指定的时间内cond未触发，互斥量mutex被重新加锁，且pthread_cond_timedwait返回错误 ETIMEDOUT。abstime 参数指定一个绝对时间，时间原点与 time 和 gettimeofday 相同：abstime = 0 表示 1970年1月1日00:00:00 GMT。

(4)pthread_cond_destroy 销毁一个条件变量，释放它拥有的资源。进入 pthread_cond_destroy 之前，必须没有在该条件变量上等待的线程。

(5)条件变量函数不是异步信号安全的，不应当在信号处理程序中进行调用。特别要注意，如果在信号处理程序中调用 pthread_cond_signal 或pthread_cond_boardcast 函数，可能导致调用线程死锁。

示例程序1

#include <stdio.h>

#include <pthread.h>

#include "stdlib.h"

#include "unistd.h"

pthread_mutex_t mutex

pthread_cond_t cond

void hander(void *arg)

{

free(arg)

(void)pthread_mutex_unlock(&mutex)

}

void *thread1(void *arg)

{

pthread_cleanup_push(hander, &mutex)

while(1)

{

printf("thread1 is running\n")

pthread_mutex_lock(&mutex)

pthread_cond_wait(&cond,&mutex)

printf("thread1 applied the condition\n")

pthread_mutex_unlock(&mutex)

sleep(4)

}

pthread_cleanup_pop(0)

}

void *thread2(void *arg)

{

while(1)

{

printf("thread2 is running\n")

pthread_mutex_lock(&mutex)

pthread_cond_wait(&cond,&mutex)

printf("thread2 applied the condition\n")

pthread_mutex_unlock(&mutex)

sleep(1)

}

}

int main()

{

pthread_t thid1,thid2

printf("condition variable study!\n")

pthread_mutex_init(&mutex,NULL)

pthread_cond_init(&cond,NULL)

pthread_create(&thid1,NULL,thread1,NULL)

pthread_create(&thid2,NULL,thread2,NULL)

sleep(1)

do

{

pthread_cond_signal(&cond)

}while(1)

sleep(20)

pthread_exit(0)

return 0

}

示例程序2：

#include <pthread.h>

#include <unistd.h>

#include "stdio.h"

#include "stdlib.h"

static pthread_mutex_t mtx = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER

static pthread_cond_t cond = PTHREAD_COND_INITIALIZER

struct node

{

int n_number

struct node *n_next

} *head = NULL

/*[thread_func]*/

static void cleanup_handler(void *arg)

{

printf("Cleanup handler of second thread./n")

free(arg)

(void)pthread_mutex_unlock(&mtx)

}

static void *thread_func(void *arg)

{

struct node *p = NULL

pthread_cleanup_push(cleanup_handler, p)

while (1)

{

//这个mutex主要是用来保证pthread_cond_wait的并发性

pthread_mutex_lock(&mtx)

while (head == NULL)

{

//这个while要特别说明一下，单个pthread_cond_wait功能很完善，为何

//这里要有一个while (head == NULL)呢？因为pthread_cond_wait里的线

//程可能会被意外唤醒，如果这个时候head != NULL，则不是我们想要的情况。

//这个时候，应该让线程继续进入pthread_cond_wait

// pthread_cond_wait会先解除之前的pthread_mutex_lock锁定的mtx，

//然后阻塞在等待对列里休眠，直到再次被唤醒（大多数情况下是等待的条件成立

//而被唤醒，唤醒后，该进程会先锁定先pthread_mutex_lock(&mtx)，再读取资源

//用这个流程是比较清楚的/*block-->unlock-->wait() return-->lock*/

pthread_cond_wait(&cond, &mtx)

p = head

head = head->n_next

printf("Got %d from front of queue/n", p->n_number)

free(p)

}

pthread_mutex_unlock(&mtx)//临界区数据 *** 作完毕，释放互斥锁

}

pthread_cleanup_pop(0)

return 0

}

int main(void)

{

pthread_t tid

int i

struct node *p

//子线程会一直等待资源，类似生产者和消费者，但是这里的消费者可以是多个消费者，而

//不仅仅支持普通的单个消费者，这个模型虽然简单，但是很强大

pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL)

sleep(1)

for (i = 0i <10i++)

{

p = (struct node*)malloc(sizeof(struct node))

p->n_number = i

pthread_mutex_lock(&mtx)//需要 *** 作head这个临界资源，先加锁，

p->n_next = head

head = p

pthread_cond_signal(&cond)

pthread_mutex_unlock(&mtx)//解锁

sleep(1)

}

printf("thread 1 wanna end the line.So cancel thread 2./n")

//关于pthread_cancel，有一点额外的说明，它是从外部终止子线程，子线程会在最近的取消点，退出

//线程，而在我们的代码里，最近的取消点肯定就是pthread_cond_wait()了。

pthread_cancel(tid)

pthread_join(tid, NULL)

printf("All done -- exiting/n")

return 0

}

3）信号量

如同进程一样，线程也可以通过信号量来实现通信，虽然是轻量级的。

信号量函数的名字都以"sem_"打头。线程使用的基本信号量函数有四个。

#include <semaphore.h>

int sem_init (sem_t *sem , int pshared, unsigned int value)

这是对由sem指定的信号量进行初始化，设置好它的共享选项（linux 只支持为0，即表示它是当前进程的局部信号量），然后给它一个初始值VALUE。

两个原子 *** 作函数：

int sem_wait(sem_t *sem)

int sem_post(sem_t *sem)

这两个函数都要用一个由sem_init调用初始化的信号量对象的指针做参数。

sem_post：给信号量的值加1；

sem_wait:给信号量减1；对一个值为0的信号量调用sem_wait,这个函数将会等待直到有其它线程使它不再是0为止。

int sem_destroy(sem_t *sem)

这个函数的作用是再我们用完信号量后都它进行清理。归还自己占有的一切资源。

示例代码：

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <unistd.h>

#include <pthread.h>

#include <semaphore.h>

#include <errno.h>

#define return_if_fail(p) if((p) == 0){printf ("[%s]:func error!/n", __func__)return}

typedef struct _PrivInfo

{

sem_t s1

sem_t s2

time_t end_time

}PrivInfo

static void info_init (PrivInfo* thiz)

static void info_destroy (PrivInfo* thiz)

static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)

static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)

int main (int argc, char** argv)

{

pthread_t pt_1 = 0

pthread_t pt_2 = 0

int ret = 0

PrivInfo* thiz = NULL

thiz = (PrivInfo* )malloc (sizeof (PrivInfo))

if (thiz == NULL)

{

printf ("[%s]: Failed to malloc priv./n")

return -1

}

info_init (thiz)

ret = pthread_create (&pt_1, NULL, (void*)pthread_func_1, thiz)

if (ret != 0)

{

perror ("pthread_1_create:")

}

ret = pthread_create (&pt_2, NULL, (void*)pthread_func_2, thiz)

if (ret != 0)

{

perror ("pthread_2_create:")

}

pthread_join (pt_1, NULL)

pthread_join (pt_2, NULL)

info_destroy (thiz)

return 0

}

static void info_init (PrivInfo* thiz)

{

return_if_fail (thiz != NULL)

thiz->end_time = time(NULL) + 10

sem_init (&thiz->s1, 0, 1)

sem_init (&thiz->s2, 0, 0)

return

}

static void info_destroy (PrivInfo* thiz)

{

return_if_fail (thiz != NULL)

sem_destroy (&thiz->s1)

sem_destroy (&thiz->s2)

free (thiz)

thiz = NULL

return

}

static void* pthread_func_1 (PrivInfo* thiz)

{

return_if_fail (thiz != NULL)

while (time(NULL) <thiz->end_time)

{

sem_wait (&thiz->s2)

printf ("pthread1: pthread1 get the lock./n")

sem_post (&thiz->s1)

printf ("pthread1: pthread1 unlock/n")

sleep (1)

}

return

}

static void* pthread_func_2 (PrivInfo* thiz)

{

return_if_fail (thiz != NULL)

while (time (NULL) <thiz->end_time)

{

sem_wait (&thiz->s1)

printf ("pthread2: pthread2 get the unlock./n")

sem_post (&thiz->s2)

printf ("pthread2: pthread2 unlock./n")

sleep (1)

}

return

}

通 过执行结果后，可以看出，会先执行线程二的函数，然后再执行线程一的函数。它们两就实现了同步

---