lock free在linux中的三种应用场景

并发控制技术详解
最新推荐文章于 2024-08-09 17:31:35 发布
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#数据结构与算法

本文介绍了三种并发控制技术：自旋锁(SpinLock)，允许线程在等待锁时自旋；顺序锁(Seqlock)，通过计数器允许多个读操作与写操作并行；RCU(Read-Copy-Update)，通过复制数据结构来减少锁的竞争。

 

1.自旋锁：
Spin Lock
当lock操作被阻塞时，线程并不是把自己立即挂起，而是间断性的做自旋（自循环）操作让cpu空转来等待其他线程释放lock

2.顺序锁
Seqlock
允许读写并行。实现原理是通过设定一个计数器，当写操作进行时，将计数器原子的加1，在读操作开始和结束前，都去比较一下计数器的值，如果相等，说明未发生过写操作，如果不相等，则读操作从头进行一次。在写操作频繁的场景下，可能会导致读操作频繁的重复进行

3.RCU
Read-Copy-Update
写操作进行时，复制当前数据结构，申请新内存空间，然后对副本进行修改，将原数组内容复制到new空间中，赋新值，修改完毕后，写者修改原数据结构的指针，使之指向新地址，然后再调用内存屏障，让新值对其他CPU可见，最后释放原结构数据
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在 Linux 环境下，`memset` 函数本身是标准 C 库（glibc）的一部分，通常不会“无法使用”。然而，在某些特定场景下，开发者可能会观察到 `memset` 的行为与预期不符，这可能由以下几种原因导致： ### 1. 内存对齐与优化问题 某些编译器优化策略可能会导致 `memset` 的行为看起来“无效”。例如，如果编译器检测到 `memset` 后紧接着对内存的写入操作，它可能会优化掉 `memset` 调用以提高性能。这种行为在使用 `-O2` 或更高优化级别时尤为常见。可以通过使用 `volatile` 关键字来防止编译器优化，确保 `memset` 实际执行。 ```c char buffer[1024]; volatile char* ptr = buffer; memset((void*)ptr, 0, sizeof(buffer)); ``` ### 2. 使用不当的参数 `memset` 的原型为 `void *memset(void *s, int c, size_t n);`，其中 `c` 是要设置的值，通常为 0 或 -1。需要注意的是，`c` 是按字节填充的，因此 `memset(s, -1, n)` 实际上会将每个字节设置为 `0xFF`，这在处理整型数组时可能导致意外结果。例如，`int arr[10]; memset(arr, -1, sizeof(arr));` 会将每个 `int` 设置为 `0xFFFFFFFF`，这在有符号整数中表示 `-1`，但在某些平台上可能不被期望。 ### 3. 内存访问权限问题 如果尝试对只读内存区域（如常量字符串或某些受保护的内存映射区域）使用 `memset`，将导致段错误（Segmentation Fault）。确保操作的内存区域是可写的，可以通过 `malloc` 或 `mmap` 正确分配，并检查内存指针是否为 `NULL`。 ```c char* buffer = malloc(1024); if (buffer != NULL) { memset(buffer, 0, 1024); free(buffer); } ``` ### 4. 多线程环境下的竞争条件 在多线程程序中，若多个线程同时访问并修改同一块内存区域，而未采取适当的同步机制（如互斥锁），可能导致 `memset` 的效果被其他线程的操作覆盖。可以使用 `pthread_mutex_lock` 和 `pthread_mutex_unlock` 来保护共享内存的访问。 ```c pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; char shared_buffer[1024]; void reset_buffer() { pthread_mutex_lock(&mutex); memset(shared_buffer, 0, sizeof(shared_buffer)); pthread_mutex_unlock(&mutex); } ``` ### 5. 使用 `memset` 清除敏感数据的安全问题 `memset` 并不能保证在优化后的代码中真正清除内存，特别是在涉及敏感数据（如密码）时。可以使用 `explicit_bzero` 或 `memzero` 等函数来确保数据被可靠清除，避免被恶意恢复。 ```c #include <string.h> char password[128]; // ... 使用 password ... explicit_bzero(password, sizeof(password)); // 安全清除密码 ``` ### 6. 内存泄漏或越界访问 如果 `memset` 操作的内存区域未正确分配或存在越界访问，可能导致不可预测的行为，包括程序崩溃或数据损坏。确保 `memset` 的第三个参数 `n` 不超过分配的内存大小，并且指针 `s` 是有效的。 ```c char* buffer = malloc(100); if (buffer != NULL) { memset(buffer, 0, 100); // 确保 n 不超过分配的大小 free(buffer); } ``` ### 7. 使用 `memset` 初始化结构体 当使用 `memset` 初始化结构体时，特别是包含指针成员的结构体，需格外小心。`memset` 会将所有成员初始化为 0，这可能导致指针成员被设置为 `NULL`，而某些结构体的设计可能依赖于指针成员的初始值。 ```c typedef struct { int id; char* name; } User; User user; memset(&user, 0, sizeof(User)); // name 被初始化为 NULL ``` ### 8. 内存映射文件的处理 对于通过 `mmap` 映射的文件，`memset` 操作可能不会立即反映在磁盘文件上，除非调用 `msync` 强制同步内存与磁盘内容。 ```c char* mapped = mmap(NULL, length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED, fd, offset); if (mapped != MAP_FAILED) { memset(mapped, 0, length); msync(mapped, length, MS_SYNC); // 确保数据写回磁盘 munmap(mapped, length); } ``` ### 9. 内核模块或驱动开发中的限制 在内核空间开发中，`memset` 可能不可用或行为受限，因为内核提供了自己的内存操作函数（如 `memset_io`）。在这种情况下，应使用内核提供的替代函数。 ```c #include <linux/io.h> void __iomem* addr = ioremap(phys_addr, size); writel(0, addr); // 替代 memset_io(addr, 0, size) ``` ### 10. 特定平台或编译器的兼容性问题 某些嵌入式平台或非标准编译器可能对 `memset` 的实现存在差异，导致其行为不符合预期。查阅目标平台的文档，确认 `memset` 的可用性和行为特性。 --- ###
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