Linux并发与同步--基础知识

已于 2023-08-20 20:24:55 修改
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分类专栏： Linux学习 文章标签： linux
于 2023-06-23 10:34:54 首次发布
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并发与同步

2．atomic_cmpxchg()和atomic_xchg()分别表示什么含义？

答：
    atomic_cmpxchg()和atomic_xchg()是原子操作函数，用于在多线程编程中实现原子操作。

  1. atomic_cmpxchg()：该函数表示原子比较并交换操作。它接受三个参数：一个指向要进行比较和交换的内存位置的指针、期望的值和新值。函数首先比较给定内存位置的值是否与期望的值相等，如果相等，则将新值写入该位置。这个操作是原子的，意味着在执行期间不会被其他线程中断。该函数返回之前在给定内存位置的值。

  2. atomic_xchg()：该函数表示原子交换操作。它接受两个参数：一个指向要进行交换的内存位置的指针和新值。函数将新值写入给定内存位置，并返回之前在该位置的值。这个操作同样也是原子的，不会被其他线程中断。

这两个函数在多线程编程中常用于确保对共享资源的原子性操作，避免竞态条件和数据不一致的问题。

3．在ARM64中，CAS指令包含了加载-获取和存储-释放指令，它们的作用是什么？

答：
   

4．atomic_try_cmpxchg()函数和atomic_cmpxchg()函数有什么区别？

答：
    atomic_try_cmpxchg()和atomic_cmpxchg()函数在功能上有一些区别。

  1. atomic_try_cmpxchg()函数：该函数是一个尝试比较并交换操作。它接受三个参数：一个指向要进行比较和交换的内存位置的指针、期望的值和新值。该函数会尝试比较给定内存位置的值是否与期望的值相等，如果相等，则将新值写入该位置。如果比较成功，函数返回true；否则，返回false。这个操作是原子的，即在执行期间不会被其他线程中断。

  2. atomic_cmpxchg()函数：该函数也是一个比较并交换操作，与atomic_try_cmpxchg()函数类似。它接受三个参数：一个指向要进行比较和交换的内存位置的指针、期望的值和新值。函数首先比较给定内存位置的值是否与期望的值相等，如果相等，则将新值写入该位置。这个操作是原子的，即在执行期间不会被其他线程中断。与atomic_try_cmpxchg()函数不同的是，atomic_cmpxchg()函数不返回比较结果，而是返回之前在给定内存位置的值。

总结来说，atomic_try_cmpxchg()函数会返回比较结果，而atomic_cmpxchg()函数则返回之前的值。具体使用哪个函数取决于你的需求，如果需要知道比较结果，则可以使用atomic_try_cmpxchg()函数；如果只关心之前的值，则可以使用atomic_cmpxchg()函数。

5．cmpxchg_acquire()函数、cmpxchg_release()函数、cmpxchg_relaxed()函数以及cmpxchg()函数的区别是什么？

答：
   

6．请举例说明内核使用内存屏障的场景。

答：
   

7．smp_cond_load_relaxed()函数的作用和使用场景是什么？

答：
   

8．smp_mb__before_atomic()函数和smp_mb__after_atomic()函数的作用和使用场景是什么？

答：
   

9．为什么自旋锁的临界区不能睡眠（不考虑RT-Linux的情况）？

答：
   

10．Linux内核中经典自旋锁的实现有什么缺点？

答：
   

11．为什么自旋锁的临界区不允许发生抢占？

答：
   

12．基于排队的自旋锁机制是如何实现的？

答：
   

13．如果在spin_lock()和spin_unlock()的临界区中发生了中断，并且中断处理程序也恰巧修改了该临界区，那么会发生什么后果？该如何避免呢？

答：
   

14．排队自旋锁是如何实现MCS锁的？

答：
   

15．排队自旋锁把32位的变量划分成几个域，每个域的含义和作用是什么？

答：
   

16．假设CPU0先持有了自旋锁，接着CPU1、CPU2、CPU3都加入该锁的争用中，请阐述这几个CPU如何获取锁，并画出它们申请锁的流程图。

答：
   

17．与自旋锁相比，信号量有哪些特点？

答：
   

18．请简述信号量是如何实现的。

答：
   

19．乐观自旋等待的判断条件是什么？

答：
   

20．为什么在互斥锁争用中进入乐观自旋等待比睡眠等待模式要好？

答：
   

21．假设CPU0～CPU3同时争用一个互斥锁，CPU0率先申请了互斥锁，然后CPU1也加入锁的申请。CPU1在持有锁期间会进入睡眠状态。然后CPU2和CPU3陆续加入该锁的争用中。请画出这几个CPU争用锁的时序图。

答：
   

22．Linux内核已经实现了信号量机制，为何要单独设置一个互斥锁机制呢？

答：
   

23．请简述MCS锁机制的实现原理。

答：
   

24．在编写内核代码时，该如何选择信号量和互斥锁？

答：
   

25．什么时候使用读者锁？什么时候使用写者锁？怎么判断？

答：
   

26．读写信号量使用的自旋等待机制是如何实现的？

答：
   

27．RCU相比读写锁有哪些优势？

答：
   

28．请解释静止状态和宽限期。

答：
   

29．请简述RCU实现的基本原理。

答：
   

30．在大型系统中，经典RCU遇到了什么问题？Tree RCU又是如何解决该问题的？

答：
   

31．在RCU实现中，为什么要使用ULONG_CMP_GE()和ULONG_CMP_LT()宏来比较两个数的大小，而不直接使用大于号或者小于号来比较？

答：
   

32．请简述一个宽限期的生命周期及其状态机的变化。

答：
   

33．请阐述原子操作、自旋锁、信号量、互斥锁以及RCU的特点和使用规则。

答：
    原子操作：原子操作是指在执行过程中不会被中断的操作。它是在多线程环境下保证数据的一致性和线程安全的一种机制。原子操作通常是不可分割的，要么完全执行，要么完全不执行。在并发编程中，原子操作可以用来保护共享资源，避免多个线程同时访问和修改同一数据导致的竞态条件。

自旋锁：自旋锁是一种基本的锁机制，它采用忙等待的方式来实现线程的互斥。当一个线程尝试获取自旋锁时，如果锁已经被其他线程占用，那么该线程会一直循环等待，直到获取到锁为止。自旋锁适用于锁的持有时间很短，且线程竞争不激烈的情况下，可以避免线程切换的开销。

信号量：信号量是一种用于控制对共享资源的访问的同步机制。它可以用来限制同时访问某个资源的线程数量。信号量维护一个计数器，线程在访问资源之前需要申请信号量，如果信号量计数器大于0，则线程可以继续执行；如果计数器为0，则线程需要等待其他线程释放信号量。信号量适用于线程竞争激烈的情况下，可以控制并发访问的数量。

互斥锁：互斥锁是一种常用的线程同步机制，用于保护共享资源的访问。互斥锁在同一时刻只允许一个线程访问被保护的资源，其他线程需要等待锁的释放。互斥锁可以防止多个线程同时访问共享资源，从而避免数据的不一致性和竞态条件的发生。

RCU（Read-Copy-Update）：RCU是一种用于实现读写并发的机制。它通过在更新数据时创建副本，而不是直接修改原始数据，来实现读操作的无锁化。当有读操作时，RCU可以保证读取到的是一个稳定的数据副本，而不会受到更新操作的影响。RCU适用于读操作频繁、写操作相对较少的场景，可以提高并发性能。

以上是对原子操作、自旋锁、信号量、互斥锁和RCU的特点和使用规则的简要介绍。具体使用时需要根据具体的编程语言和场景进行选择和配置。

34．在KSM中扫描某个VMA以寻找有效的匿名页面时，假设此VMA恰巧被其他CPU销毁了，会不会有问题呢？

答：
   

35．请简述PG_locked的常见使用方法。

答：
   

36．在mm/rmap.c文件中的page_get_anon_vma()函数中，为什么要使用rcu_read_lock()函数？什么时候注册RCU回调函数呢？

答：
    在 mm/rmap.c 文件中的 page_get_anon_vma() 函数中，使用 rcu_read_lock() 函数是为了实现对RCU保护的数据结构进行读取操作。

在Linux内核中，RCU机制常用于保护共享的数据结构，例如匿名VMA（Anon VMA）链表。 page_get_anon_vma() 函数用于获取与给定页相关联的匿名VMA。由于匿名VMA链表可能会被其他线程修改，在访问链表时使用 rcu_read_lock() 函数可以获得一个RCU读取锁，以确保读取链表时不会被其他线程修改。

至于何时注册RCU回调函数，一般是在数据结构的创建或初始化阶段进行。当需要更新受RCU保护的数据结构时，可以通过注册RCU回调函数来延迟数据结构的释放，以确保没有其他线程正在使用该数据结构。具体的注册方式和时机取决于具体的实现和需求。

37．在mm/oom_kill.c的select_bad_process()函数中，为什么要使用rcu_read_lock()函数？什么时候注册RCU回调函数呢？

答：
    在 mm/oom_kill.c 文件中的 select_bad_process() 函数中，使用 rcu_read_lock() 函数是为了实现读取RCU（Read-Copy-Update）保护的数据结构。

RCU是一种用于并发编程中的内存管理机制，它允许在不阻塞其他线程的情况下对共享数据进行更新。在Linux内核中，RCU机制常用于保护共享的数据结构，例如进程列表。

在 select_bad_process() 函数中，需要访问进程列表以选择一个被认为是"bad"的进程。由于进程列表可能被其他线程修改，使用 rcu_read_lock() 函数可以获得一个RCU读取锁，以确保读取进程列表时不会被其他线程修改。

至于什么时候注册RCU回调函数，一般是在数据结构初始化阶段进行。当需要更新受RCU保护的数据结构时，可以通过注册RCU回调函数来延迟数据结构的释放，以确保没有其他线程正在使用该数据结构。具体的注册方式和时机取决于具体的实现和需求。

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