并发与竞态——信号量与互斥体

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2021-04-27 二: 完成初版

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说明

前一段时间学习了《LINUX 设备驱动程序》中的“并发与竞态”章节，没过多久在阅读代码时，看到了 spin_lock_bh 这个函数，然后一脸瞢逼，这个函数后缀有啥意义来着？所以决定对这一章节做一个简单整理，一是为了加深印象，二是为了后续的快速回顾以及查找

资源共享的规则

1. 只要可能，就应该避免资源的共享。如果我们将资源放在多个线程都会找到的地方，则必须有足够的理由
2. 在单个执行线程之外共享硬件或软件资源的任何时候，因为另外一个线程可能产生对该资源的不一致观察，因此必须显式地管理对该资源的访问
3. 当内核代码创建了一个可能和其他内核部分共享的对象时，该对象必须在还有其他组件引用自己时保持存在（并正确工作）

信号量和互斥体

在计算机科学中，信号量是一个众所周知的概念。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。希望进入临界区的进程将在相关信号量上调用 P；如果信号量的值大于零，则该值减小一，而进程可以继续。相反，如果信号量的值为零（或更小），进程必须等待直到其他人释放该信号量。对信号量的解锁通常调用 V 完成；该函数增加信号量的值，并在必要时唤醒等待的进程

当信号量用于互斥时（即避免多个进程同时在一个临界区中运行），信号量的值应初始化为 1

Linux 内核中信号量的使用

在 Linux 内核中，要使用信号量需要包含头文件 <linux/semaphore.h>，相关的类型为 struct semaphore

信号量的声明以及初始化函数

DECLARE_MUTEX(name);
void sema_init(struct semaphore *sem, int val);
void init_MUTEX(struct semaphore *sem);

Linux 中，P 函数被称为 down，下面是他的几个版本:

void down(struct semaphore *sem); // 非可中断操作，用于建立不可杀进程（ps 输出中的 "D state"）
int down_interruptible(struct semaphore *sem); // 可中断，被中断时返回非零值，调用者未拥有该信号量
int down_killable(struct semaphore *sem); // 可以被 fatal signal 打断
int down_trylock(struct semaphore *sem); // 不会休眠，如果信号量在调用时不可获取，立即返回非零值
int down_timeout(struct semaphore *sem, long timeout); // timeout 是以 jiffies 计数

Linux 中，等价与 V 的函数是 up

void up(struct semaphore *sem);

读取者/写入者信号量

读取者/写入者信号量被称为 rwsem，使用时需要包含 <linux/rwsem.h>，相关的数据类型为 struct rw_semaphore。

rwsem 的初始化函数如下

void init_rwsem(struct rw_semaphore *sem);

rwsem 用于只读访问的操作如下

void down_read(struct rw_semaphore *sem); // 可能将进程至于不可中断的休眠中
int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem); // 成功返回 1，否则返回 0
void up_read(struct rw_semaphore *sem);

rwsem 用于写入者的操作如下

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); // 将写入者降级为读取者

写入者具有更高优先级，如果大量写入者竞争一个信号量，这种实现会导致读取者“饿死”