操作系统实践之路——四、同步（1.解决数据同步方法）

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一、问题引入
二、原子操作
三、中断控制
四、自旋锁
五、信号量
参考资料

前言

由于在接下来的学习内容中涉及到数据的同步，我们在开发操作系统的时候必须考虑到并发同步问题，要想解决这问题，实际应用中一般采用：原子变量、关中断、信号量、自旋锁。

一、问题引入

下面的代码，描述的是一个线程中的函数和中断处理函数，它们分别对一个全局变量执行加 1 操作：

int a = 0;
void interrupt_handle()
{
   
   
    a++;
}
void thread_func()
{
   
   
    a++;
}

梳理一下编译器的翻译过程，通常编译器会把 a++ 语句翻译成这 3 条指令：

1.把 a 加载某个寄存器中。

2.这个寄存器加 1。

3.把这个寄存器写回内存。

那么不难推断，可能导致结果不确定的情况是这样的：thread_func 函数还没运行完第 2 条指令时，中断就来了。

因此，CPU 转而处理中断，也就是开始运行 interrupt_handle 函数，这个函数运行完 a=1，CPU 还会回去继续运行第 3 条指令，此时 a 依然是 1，这显然是错的。
下面来看一下表格，你就明白了。

在这里插入图片描述

显然在 t2 时刻发生了中断，导致了 t2 到 t4 运行了 interrupt_handle 函数，t5 时刻 thread_func 又恢复运行，导致 interrupt_handle 函数中 a 的操作丢失，因此出错。

要解决上述场景中的问题，有这样两种思路。

一种是把 a++ 变成原子操作，也就是说要 a++ 这个操作不可分隔，即 a++ 要么不执行，要么一口气执行完；

另一种就是控制中断，比如在执行 a++ 之前关掉中断，执行完了之后打开中断。

二、原子操作

要实现原子操作需要底层操作系统的支持，X86 平台支持很多原子指令，我们只需要直接应用这些指令，比如原子加、原子减，原子读写等，用汇编代码写出对应的原子操作函数就行了。

现代 C 语言已经支持嵌入汇编代码，可以在 C 函数中按照特定的方式嵌入汇编代码了，实现原子操作就方便了，代码如下：

//定义一个原子类型
typedef struct s_ATOMIC{
   
   
    volatile s32_t a_count; //在变量前加上volatile，是为了禁止编译器优化，使其每次都从内存中加载变量
}atomic_t;
//原子读
static inline s32_t atomic_read(const atomic_t *v)
{
   
           
        //x86平台取地址处是原子
        return (*(volatile u32_t*)&(v)->a_count);
}
//原子写
static inline void atomic_write(atomic_t *v, int i)
{
   
   
        //x86平台把一个值写入一个地址处也是原子的 
        v->a_count = i;
}
//原子加上一个整数
static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{
   
   
        __asm__ __volatile__("lock;" "addl %1,%0"
                     : "+m" (v->a_count)
                     : "ir" (i));
}
//原子减去一个整数
static inline void atomic_sub(int i, atomic_t *v)
{
   
   
        __asm__ __volatile__("lock;" "subl %1,%0"