Chapter 9 - 内核同步介绍

Created by : Mr Dk.

2019 / 10 / 23 14:18

Nanjing, Jiangsu, China

需要特别留意保护共享资源，防止共享资源并发访问。

9.1 临界区和竞争条件

临界区：访问和操作共享数据的代码段。多个线程并发访问同一个资源通常不安全，必须保证进入临界区中的代码 原子地 执行：操作在执行结束前不可被打断，要么执行完，要么完全不执行，如同整个临界区是一条不可分割的指令。

如果两个线程同时进入临界区，那么就发生了 竞争条件 (race condition)。避免并发和防止竞争条件称为 同步 (synchronization)。

银行 ATM 机的例子

i++; 的例子。多数 CPU 都提供了指令来原子地读变量、增加变量、并写回变量，使用这样的指令能够解决一定的问题，因为两个原子操作交错执行根本不可能发生。CPU 从物理上确保了这种不可能。

对数据结构的操作显然不能通过原子指令来实现。当共享资源是一个复杂的数据结构时，竞争条件往往会使该数据结构遭到破坏。硬件不可能对不定长度的临界区提供原子指令，需要锁机制来确保一次有且只有一个线程对数据结构进行操作：线程持有锁，锁保护了数据。

锁的使用是 自愿、非强制 的，不强制使用，但为了防止发生竞争条件，必须使用。锁有多种形式，且加锁的粒度和范围也各不相同。锁由 原子操作 实现：

用户空间需要同步：

这类并发实际上并不是同时发生的。如果有多核 CPU，则存在着真正意义上的并发（并行？）。内核可能造成并发执行的原因：

应当在最开始设计代码时就考虑加锁，而不是事后。如果代码已经写好，在其中找到需要加锁的地方并加锁，是很困难的，而且结果也不好。

执行线程的局部数据仅仅被它本身访问，显然不需要保护。要给数据而不是给代码加锁。编写内核代码时，要问问自己这些问题：

每个线程都在等待一个资源，所有的资源都已经被占用，所有线程都在互相等待，但永远不会释放已经占用的资源。

没有线程会释放一开始就持有的锁。一些避免死锁的策略：

只要嵌套使用多个锁，就要按照相同的顺序去获取它们。

锁的争用，指锁被占用时，有其它线程试图获得该锁——多个线程等待获得该锁：高度争用状态。锁使程序以串行的方式对资源进行访问，使用锁会降低系统的性能，被高度争用的锁会成为系统的性能瓶颈，严重降低系统性能。

扩展性是对系统可扩展程度的一个量度，任何可以被计量的计算机组件都可以涉及可扩展性。在 Linux 2.6 内核中，内核加的锁是非常细的粒度。加锁粒度用于描述加锁保护的数据规模：

细粒度锁在大型系统上的性能可能会很好，但在小型系统上会增加复杂度，并加大开销

两种情况都会造成系统性能下降。