内核的同步以及锁机制

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1.前言

为什么要考虑内核同步

在单一CPU 的情况下，中断或者内核代码明确调度时，多个执行线程并发访问共享数据。目前多处理器以及抢占式内核的存在，更需要注意保护共享资源。

造成并发的原因

  • Interrupts— An interrupt can occur asynchronously at almost any time, interrupting the currently executing code.
  • Softirqs and tasklets— The kernel can raise or schedule a softirq or tasklet at
    almost any time, interrupting the currently executing code.
  • Kernel preemption— Because the kernel is preemptive, one task in the kernel
    can preempt another.
  • Sleeping and synchronization with user-space— A task in the kernel can
    sleep and thus invoke the scheduler, resulting in the running of a new process.
  • Symmetrical multiprocessing— Two or more processors can execute kernel
    code at exactly the same time.
临界区

临界区( Critical Regions ) 指的是访问内存中共享数据的 代码段，编程者需要保证这一部分代码段执行期间不被打断。如果两个线程在同一个临界区执行，就会有Bug。避免这种情况发生称之为 同步(synchronization).

例子

比如银行取款的代码，同一个账号同时在用两种方式取款，需要调用同一个取款函数，这时候必须考虑同步。有两种方法来解决这个问题，一个是原子性，一个是加锁。

  • 将取款的整个函数原子化,使得每一个事务是原子性并且不可打断的。CPU 和内核提供了原子操作的接口（算术运算或比较大小）。

  • 有时候共享数据是一个复杂的数据结构，例如队列等不定长度的数据类型,这种复杂的情况没有办法原子化,就需要用到加锁

2.加锁

  • 锁的机制就像一个房间的门锁一样，房间内只能有一个线程存在。后来的线程需要在门外排队。
  • linux 自身实现了几种不同的锁，主要体现在锁在被占用的情况下的表现。
  • 加锁的过程是采用原子操作实现的，和体系结构相关。一般 0 意味着开锁。
  • 伪并发与真并发 都存在竞争，都需要保护。
    • 伪并发是指单处理器系统中，一个程序在运行中被调度到另一个程序，两个程序执行在一个临界区。
    • 真并发是指在多处理器系统中，两个程序同时执行，执行在一个临界区。
  • 加锁的方法并不难，难的是找到哪些数据和临界区需要加锁，在编写代码的时候就要考虑到
    • Is the data global? Can a thread of execution other than the current one access it?
    • Is the data shared between process context and interrupt context? Is it shared between two different interrupt handlers?
    • If a process is preempted while accessing this data, can the newly scheduled process access the same data?
    • Can the current process sleep (block) on anything? If it does, in what state does that leave any shared data?
    • What prevents the data from being freed out from under me?
    • What happens if this function is called again on another processor?
    • Given the proceeding points, how am I going to ensure that my code is safe from
      concurrency?
  • 不需要加锁的数据
    • 局部变量，只被特定进程访问的数据
  • 需要加锁的数据
    • 大多数内核的数据结构，有其他线程可以访问的数据
  • 内核在编译时是可以配置的，可以不设置SMP 以及 抢占的模块，减少开销。

3.死锁

死锁的产生条件：一个或多个执行线程，和一个或多个共享数据。 ==彼此需要的资源被彼此锁住了== 。

  • 自死锁，等待自己已经拿到的锁
  • 避免死锁的规则：
    • 按顺序加锁，多个线程按照同样的顺序获得多个锁， A - B -C 这样 第二个进程就不会先获得C 造成死锁。
    • 防止发生饥饿
    • 不重复请求同一个锁
    • 设计应简单
  • 内核提供了调试工具在运行时检测死锁

4.扩展性

  • 并不是多CPU 就是成倍的增加性能，因为共享数据的锁，需要排队等待锁机制。
  • 锁的加锁 ==粒度==，是对一个大块数据加锁还是对大块数据的一个元素加锁。
    • 可以对(一整个链表/链表的一个节点/节点的一个元素)进行加锁。
    • 锁的增用严重的话，就需要使加锁的粒度更精细，但是粒度过于精细也会使得系统开销增大
    • 调度队列 O(1) 到 CFS 就提高了精细度