《Linux Device Drivers》第五章并发和竞态——note

最新推荐文章于 2025-07-04 07:52:05 发布

pingfengluo

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分类专栏： Kernel

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本文深入探讨了并发编程中的竞态问题及其解决方法，包括锁定、互斥体、信号量、读写锁等技术。同时介绍了自旋锁、原子变量、位操作等免锁算法，以及RCU优化机制，旨在提升程序性能与资源利用效率。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

并发及其管理
- 竞态通常作为对资源的共享访问结果而产生
- 当两个执行线程需要访问相同的数据结构（或硬件资源）时，并发的可能性就永远存在
- 只要可能就应该避免资源的共享，但共享通常是必须的，硬件本质上就是共享的
- 访问管理的常见技术称为“锁定”或者“互斥”
信号量和互斥体
- 建立临界区：在任意给定的时刻，代码只能被一个线程执行
- 可以使用一种锁定机制，当进程在等待对临界区的访问时，此机制可让进程进入休眠状态
- 一个信号量本质上是一个整数值，它和一对函数联合使用，这一对函数通常称为P和V
- 当信号量用于互斥时，信号量的值应初始化为1，这种信号量有时也称为“互斥体（mutex）”
- Linux信号量的实现
  - <asm/semaphore.h>
  - struct semaphore;
  - void sema_init(struct semaphore *sem, int val);
  - DECLARE_MUTEX(name);
    - 称为name的信号量变量被初始化为1
  - DECLARE_MUTEX_LOCKED(name);
    - 称为name的信号量变量被初始化为0
  - void init_MUTEX(struct semaphore *sem);
  - void init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *sem);
  - void down(struct semaphore *sem);
    - 一直等待
  - int down_interruptible(struct semaphore *sem);
    - 操作是可中断的
    - 如果操作被中断，该函数会返回非零值
    - 通常使用的是可中断的down版本
  - int down_trylock(struct semaphore *sem);
    - 永远不会休眠
    - 如果信号量在调用时不可获得，会立即返回一个非零值
  - void up(struct semaphore *sem);
- 读取者/写入者信号量
  - 一些任务只需要读取受保护的数据结构，而其他的则必须做出修改
  - <linux/rwsem.h>
  - struct rw_semaphore;
  - void init_rwsem(struct rw_semaphore *sem);
  - void down_read(struct rw_semaphore *sem);
    - 只读访问，可和其他读取者并发地访问
  - int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem);
    - 在授予访问时返回非零，其他情况下返回零
  - void up_read(struct rw_semaphore *sem);
  - void down_write(struct rw_semaphore *sem);
  - int down_write_trylock(struct rw_semaphore *sem);
  - void up_write(struct rw_semaphore *sem);
  - void downgrade_write(struct rw_semaphore *sem);
  - 最好在很少需要写访问且写入者只会短期拥有信号量的时候使用rwsem

completion
- 内核编程中常见的一种模式是，在当前线程之外初始化某个活动，然后等待该活动的结束
- <linux/completion.h>
- DECLARE_COMPLETION(my_completion);
- init_completion(struct completion *c);
- void wait_for_completion(struct completion *c);
  - 非中断的等待
- void complete(struct completion *c);
- void complete_all(struct completion *c);
- 一个completion通常是一个单次（one-shot）设备
- 如果没有使用complete_all，可以重复使用一个complete结构
- 如果使用了complete_all，则必须在重复使用该结构之前重新初始化它
- INIT_COMPLETE(struct completion c);
- void complete_and_exit(struct completion *c, long retval);
自旋锁
- 自旋锁可在不能休眠的代码中使用，比如中断处理例程
- 可提供比信号量更高的性能
- 一个自旋锁是一个互斥设备，它只能有两个值：锁定和解锁
- 通常实现为某个整数值中的单个位
- 如果锁可用，则“锁定”位被设置，而代码继续进入临界区
- 如果锁被其他人获得，则代码进入忙循环并重复检查这个锁，直到该锁可用为止，这个循环就是自旋锁的“自旋”部分
- “测试并设置”的操作必须以原子方式完成
- 在超线程处理器上，还必须仔细处理以避免死锁，超线程处理器可实现多个虚拟的CPU，它们共享单个处理器核心及缓存
- 自旋锁API介绍
  - <linux/spinlock.h>
  - spinlock_t
  - spinlock_t my_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
  - void spin_lock_init(spinlock_t *lock);
  - void spin_lock(spinlock_t *lock);
    - 不可中断
    - 在获得锁之前一直处于自旋状态
  - void spin_unlock(spinlock_t *lock);
- 自旋锁和原子上下文
  - 任何拥有自旋锁的代码都必须是原子的，不能休眠，不能因为任何原因放弃处理器，除了服务中断之外
- 自旋锁函数
  - void spin_lock(spinlock_t *lock);
  - void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags);
    - 在获得自旋锁之前禁止中断，而先前的中断状态保存在flags中
  - void spin_lock_irq(spinlock_t *lock);
  - void spin_lock_bh(spinlock_t *lock);
    - 在获得锁之前禁止软件中断
  - void spin_unlock(spinlock_t *lock);
  - void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags);
    - flags参数必须是传递给spin_lock_irqsave的同一个变量
  - void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock);
  - void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock);
  - int spin_trylock(spinlock_t *lock);
    - 成功时返回非零值，否则返回零
  - int spin_trylock_bh(spinlock_t *lock);
    - 成功时返回非零值，否则返回零
- 读取值/写入者自旋锁
  - <linux/spinlock.h>
  - rwlock_t
  - rwlock_t my_rwlock = RW_LOCK_UNLOCKED;
  - void rwlock_init(rwlock_t * lock);
  - void read_lock(rwlock_t *lock);
  - void read_lock_irqsave(rwlock_t *lock, unsigned long flags);
  - void read_lock_irq(rwlock_t *lock);
  - void read_lock_bh(rwlock_t *lock);
  - void read_unlock(rwlock_t *lock);
  - void read_unlock_irqrestore(rwlock_t *lock, unsigned long flags);
  - void read_unlock_irq(rwlock_t *lock);
  - void read_unlock_bh(rwlock_t *lock);
  - void write_lock(rwlock_t *lock);
  - void write_lock_irqsave(rwlock_t *lock, unsigned long flags);
  - void write_lock_irq(rwlock_t *lock);
  - void write_lock_bh(rwlock_t *lock);
  - int write_trylock(rwlock_t *lock);
  - void write_unlock(rwlock_t *lock);
  - void write_unlock_irqrestore(rwlock_t *lock, unsigned long flags);
  - void write_unlock_irq(rwlock_t *lock);
  - void write_unlock_bh(rwlock_t *lock);
  - 读取者/写入者锁可能造成读取者饥饿
锁陷阱
- 不明确的规则
  - 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相同的锁，如果试图这样做，系统将挂起(例如：如果某个获得锁的函数，调用其他试图获取相同锁的函数，我们的代码就会死锁)
- 锁的顺序规则
  - 在必须获取多个锁时，应该始终以相同的顺序获得
  - 如果必须获得一个局部锁以及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
  - 如果拥有信号量和自旋锁的组合，则必须首先获得信号量
- 细粒度锁和粗粒度锁的对比
  - 细粒度锁具有良好的伸缩性
  - 细粒度锁将带来某种程序的复杂性
  - 应该在最初使用粗粒度的锁
  - 使用lockmeter工具可度量内核花费在锁上的时间
    - http://oss.sgi.com/projects/lockmeter/
除了锁之外的方法
- 免锁算法
  - 经常用于免锁的生产者/消费者任务的数据结构之一是循环缓冲区
- 原子变量
  - <asm/atomic.h>
  - atomic_t
  - 一个atomic_t变量保存一个int值，但不能记录大于24位的整数
  - void atomic_set(atomic_t *v, int i);
  - atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);
  - int atomic_read(atomic_t *v);
  - void atomic_add(int i, atomic_t *v);
  - void atomic_sub(int i, atomic_t *v);
  - void atomic_inc(atomic_t *v);
  - void atomic_dec(atomic_t *v);
  - int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);
  - int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);
  - int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);
  - int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v);
  - int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);
  - int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);
  - int atomic_inc_return(atomic_t *v);
  - int atomic_dec_return(atomic_t *v);
  - 需要多个atomic_t变量的操作，仍然需要某种类型的锁
- 位操作
  - <asm/bitops.h>
  - nr参数通常被定义为int，但在少数架构上被定义为unsigned long
  - void set_bit(nr, void *addr);
  - void clear_bit(nr, void *addr);
  - void change_bit(nr, void *addr);
  - test_bit(nr, void *addr);
  - int test_and_set_bit(nr, void *addr);
  - int test_add_clear_bit(nr, void *addr);
  - int test_and_change_bit(nr, void *addr);
- seqlock
  - 允许读取者对资源的自由访问，但需要读取者检查是否和写入者发生冲突
  - <linux/seqlock.h>
  - seqlock_t
  - seqlock_t lock1 = SEQLOCK_UNLOCKED;
  - void seqlock_init(seqlock_t *lock);
  - unsigned int read_seqbegin(seqlock_t *lock);
  - int read_seqretry(seqlock_t *lock, unsigned int seq);
  - unsigned int read_seqbegin_irqsave(seqlock_t *lock, unsigned long flags);
  - int read_seqretry_irqrestore(seqlock_t *lock, unsigned int seq, unsigned long flags);
  - void write_seqlock(seqlock_t *lock);
  - void write_sequnlock(seqlock_t *lock);
  - void write_seqlock_irqsave(seqlock_t *lock, unsigned long flags);
  - void write_seqlock_irq(seqlock_t *lock);
  - void write_seqlock_bh(seqlock_t *lock);
  - void write_sequnlock_irqrestore(seqlock_t *lock, unsigned long flags);
  - void write_sequnlock_irq(seqlock_t *lock);
  - void write_sequnlock_bh(seqlock_t *lock);
- 读取-复制-更新
  - read-copy-update（RCU）也是一种高级的互斥机制
  - 很少在驱动程序中使用
  - http://www.rdrop.com/users/paulmck/rclock/intro/rclock_intro.html
  - 针对经常发生读取而很少写入的情形做了优化
  - 被保护的资源应该通过指针访问
  - 在需要修改该数据结构时，写入线程首先复制，然后修改副本，之后用新的版本替代相关指针。当确信老的版本没有其他引用时，就可释放老的版本
  - <linux/rcupdate.h>
  - rcu_read_lock
  - rcu_read_unlock
  - void call_rcu(struct rcu_head *head, void (*func)(void *arg), void *arg);