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第七章内核中的同步临界区和竞争状态内核同步措施生产者-消费者并发实例内核多任务并发实例•什么是临界区（criticalregions）?–就是访问和操作共享数据的代码段,这段代码必须被原子地执行•什么是竞争状态?–多个内核任务同时访问同一临界区•什么是同步?–避免并发和防止竞争状态称为同步（synchronization）临界区和竞争状态•考虑一个非常简单的共享资源的例子：一个全局整型变量和一个简单的临界区，其中的操作仅仅是将整型变量的值增加1：i++•该操作可以转化成下面三条机器指令序列：–(1)得到当前变量i的值并拷贝到一个寄存器中–(2)将寄存器中的值加1–(3)把i的新值写回到内存中临界区举例内核任务1内核任务2获得i(1)---增加i(1-2)---写回i(2)---获得i(2)增加i(2-3)写回i(3)临界区举例内核任务1内核任务2获得i(1)------获得i(1)增加i(1-2)------增加i(1-2)写回i(2)------写回i(2)可能的实际执行结果：期望的结果当共享资源是一个复杂的数据结构时，竞争状态往往会使该数据结构遭到破坏。对于这种情况，锁机制可以避免竞争状态正如门锁和门一样，门后的房间可想象成一个临界区。在一个指定时间内，房间里只能有个一个内核任务存在，当一个任务进入房间后，它会锁住身后的房门；当它结束对共享数据的操作后，就会走出房间，打开门锁。如果另一个任务在房门上锁时来了,那么它就必须等待房间内的任务出来并打开门锁后，才能进入房间。共享队列和加锁•任何要访问队列的代码首先都需要占住相应的锁，这样该锁就能阻止来自其它内核任务的并发访问：任务1试图锁定队列成功：获得锁访问队列…为队列解除锁…任务2试图锁定队列失败：等待…等待…等待…成功：获得锁访问队列…为队列解除锁共享队列和加锁找出哪些数据需要保护是关键所在内核任务的局部数据仅仅被它本身访问，显然不需要保护如果数据只会被特定的进程访问，也不需加锁大多数内核数据结构都需要加锁：若有其它内核任务可以访问这些数据，那么就给这些数据加上某种形式的锁；若任何其它东西能看到它，那么就要锁住它确定保护对象死锁产生的条件：有一个或多个并发执行的内核任务和一个或多个资源，每个任务都在等待其中的一个资源，但所有的资源都已经被占用。所有任务都在相互等待，但它们永远不会释放已经占有的资源，于是任何任务都无法继续典型的死锁：四路交通堵塞自死锁：一个执行任务试图去获得一个自己已经持有的锁死锁加锁的顺序是关键。使用嵌套的锁时必须保证以相同的顺序获取锁，这样可以阻止致命拥抱类型的死锁防止发生饥饿不要重复请求同一个锁。越复杂的加锁方案越有可能造成死锁，因此设计应力求简单死锁的避免中断——中断几乎可以在任何时刻异步发生，也可能随时打断正在执行的代码。内核抢占——若内核具有抢占性，内核中的任务就可能会被另一任务抢占睡眠及与用户空间的同步——在内核执行的进程可能会睡眠，这将唤醒调度程序，导致调度一个新的用户进程执行对称多处理——两个或多个处理器可以同时执行代码并发执行的原因为了避免并发，防止竞争。内核提供了一组同步方法来提供对共享数据的保护原子操作自旋锁信号量内核同步措施原子操作可以保证指令以原子的方式被执行两个原子操作绝对不可能并发地访问同一个变量Linux内核提供了一个专门的atomic_t类型（一个24位原子访问计数器）和一些专门的函数，这些函数作用于atomic_t类型的变量。关于atomic_t类型的定义如下：原子操作typedefstruct{intcounter;}atomic_t;自旋锁是专为防止多处理器并发而引入的一种锁，它在内核中大量应用于中断处理等部分，而对于单处理器来说，可简单采用关闭中断的方式防止中断处理程序的并发执行自旋锁最多只能被一个内核任务持有，若一个内核任务试图请求一个已被持有的自旋锁，那么这个任务就会一直进行忙循环，也就是旋转，等待锁重新可用自旋锁设计自旋锁的初衷是在短期间内进行轻量级的锁定。一个被持有的自旋锁使得请求它的任务在等待锁重新可用期间进行自旋，所以自旋锁不应该被持有时间过长自旋锁在内核中主要用来防止多处理器中并发访问临界区，防止内核抢占造成的竞争自旋锁不允许任务睡眠，持有自旋锁的任务睡眠会造成自死锁，因此自旋锁能够在中断上下文中使用自旋锁•自旋锁的定义如下：自旋锁typedefstructraw_spinlock{unsignedintslock;}raw_spinlock_t;typedefstruct{raw_spinlock_traw_lock;...}spinlockt;•使用自旋锁的基本形式如下：DEFINE_SPINLOCK(mr_lock);/*定义一个自旋锁*/spin_lock(&mr_lock);/*临界区*/spin_unlock(&mr_lock);Linux中的信号量是一种睡眠锁。若有一个任务试图获得一个已被持有的信号量时，信号量会将其推入等待队列，然后让其睡眠。这时处理器获得自由而去执行其它代码。当持有信号量的进程将信号量释放后，在等待队列中的一个任务将被唤醒，从而便可以获得这个信号量信号量具有睡眠特性，适用于锁会被长时间持有的情况，只能在进程上下文中使用信号量信号量的使用信号量的定义structsemaphore{spinlock_tlock;unsignedintcount;structlist_headwait_list;}staticDECLARE_MUTEX(mr_sem);／*声明并初始化互斥信号量*/if(!down_interruptible(&mr_sem))/*信号被接收,信号量还未获取*//*临界区…*/up(&mr_sem);信号量信号量的相关操作•down()操作voiddown(structsemaphore*sem){unsignedlongflags;spin_lock_irqsave(&sem-lock,flags);/*加锁，使信号量的操作在关闭中断的状态下进行，防止多处理器并发操作造成错误*/if(sem-count0))/*若信号量可用，则将引用计数减1*/sem-count--;else/*如果无信号量可用，则调用__down()函数进入睡眠等待状态*/__down(sem);spin_unlock_irqrestore(&sem-lock,flags);/*对信号量的操作解锁*/}信号量的相关操作•down()操作中__down()函数调用__down_common(),这是各种down()操作的统一函数。•释放信号量的up()操作：voidup(structsemaphore*sem){unsignedlongflags;spin_lock_irqsave(&sem-lock,flags);/*对信号量操作进行加锁*/iflist_empty(&sem-wait_list)/*如果该信号量的等待队列为空，则释放信号量*/sem-count++;else/*否则唤醒该信号量的等待队列队头的进程*/__up(sem);spin_unlock_irqrestore(&sem-lock,flags);/*对信号量操作进行解锁*/}信号量的操作函数列表函数描述down(structsemaphore*);down_interruptible(structsemaphore*);down_killable(structsemaphore*);down_trylock(structsemaphore*);down_timeout(structsemaphore*,longjiffies);up(structsemaphore*);获取信号量，如果不可获取，则进入不可中断睡眠状态（目前已经不建议使用）。获取信号量，如果不可获取，则进入可中断睡眠状态。获取信号量，如果不可获取，则进入可被致命信号中断的睡眠状态。尝试获取信号量，如果不能获取，则立刻返回。在给定时间（jiffies）内获取信号量，如果不能够获取，则返回。释放信号量。信号量与自旋锁的比较需求建议的加锁方法低开销加锁优先使用自旋锁短期锁定优先使用自旋锁长期加锁优先使用信号量中断上下文中加锁使用自旋锁持有锁时需要睡眠、调度使用信号量生产者-消费者并发实例•问题描述一个生产厂家、一个经销商、一个仓库。厂家生产一批产品并放在仓库里，再通知经销商来批发。经销商卖完产品再向厂家下订单，生产厂家才生产下一批产品。•问题分析生产厂家相当于“生产者”，经销商相当于“消费者”，仓库则为“公共缓冲区”。该问题属于单一生产者，单一消费者，单一缓冲区。这是典型的进程同步问题。生产者和消费者是不同的线程，“公共缓冲区”为临界区。同一时刻，只能有一个线程访问临界区。生产者-消费者并发实例•实现机制①数据定义#includelinux/init.h#includelinux/module.h#includelinux/semaphore.h#includelinux/sched.h#includeasm/atomic.h#includelinux/delay.h#definePRODUCT_NUMS10staticstructsemaphoresem_producer;staticstructsemaphoresem_consumer;staticcharproduct[12];staticatomic_tnum;staticintproducer(void*product);staticintconsumer(void*product);staticintid=1;staticintconsume_num=1;生产者-消费者并发实例•实现机制②生产者线程staticintproducer(void*p){char*product=(char*)p;inti;atomic_inc(&num);printk(producer[%d]start...\n,current-pid);for(i=0;iPRODUCT_NUMS;i++){down(&sem_producer);snprintf(product,12,2010-01-%d,id++);printk(producer[%d]produce%s\n,current-pid,product);up(&sem_consumer);}printk(producer[%d]exit...\n,current-pid);return0;}生产者-消费者并发实例•实现机制③消费者线程staticintconsumer(void*p){char*product=(char*)p;printk(consumer[%d]start...\n,current-pid);for(;;){msleep(100);down_interruptible(&sem_consumer);if(consume_num=PRODUCT_NUMS*atomic_read(&num))break;printk(consumer[%d]consume%s\n,current-pid,product);consume_num++;memset(product,'\0',12);up(&sem_producer);}printk(consumer[%d]exit...\n,current-pid);return0;}生产者-消费者并发实例•实现机制④模块的插入和删除staticintprocon_init(void){printk(KERN_INFOshowproducerandconsumer\n);init_MUTEX(&sem_producer);init_MUTEX_LOCKED(&se