《Linux内核设计与实现》读书笔记（九）- 内核同步介绍

存在共享资源(共享一个文件，一块内存等等)的时候，为了防止并发访问时共享资源的数据不一致，引入了同步机制。

主要内容：

同步的概念
同步的方法-加锁
死锁
锁的粒度

1. 同步的概念

了解同步之前，先了解另外2个概念：

临界区 - 也称为临界段，就是访问和操作共享数据的代码段。
竞争条件 - 2个或2个以上线程在临界区里同时执行的时候，就构成了竞争条件。

所谓同步，其实防止在临界区中形成竞争条件。

如果临界区里是原子操作(即整个操作完成前不会被打断)，那么自然就不会出竞争条件。

但在实际应用中，临界区中的代码往往不会那么简单，所以为了保持同步，引入了锁机制。

2. 同步的方法-加锁

为了给临界区加锁，保证临界区数据的同步，首先了解一下内核中哪些情况下会产生并发。

内核中造成竞争条件的原因：

竞争原因	说明
中断	中断随时会发生，也就会随时打断当前执行的代码。如果中断和被打断的代码在相同的临界区，就产生了竞争条件
软中断和tasklet	软中断和tasklet也会随时被内核唤醒执行，也会像中断一样打断正在执行的代码
内核抢占	内核具有抢占性，发生抢占时，如果抢占的线程和被抢占的线程在相同的临界区，就产生了竞争条件
睡眠及用户空间的同步	用户进程睡眠后，调度程序会唤醒一个新的用户进程，新的用户进程和睡眠的进程可能在同一个临界区中
对称多处理	2个或多个处理器可以同时执行相同的代码

为了在编写内核代码时避免出现竞争条件，在编写代码之前就要考虑好临界区在哪，以及怎么加锁。

在编写完代码后再加锁是非常困难的，很可能还会导致部分代码重写。

编写内核代码时，时时记着下面这些问题：

这个数据是不是全局的？除了当前线程以外，其他线程能不能访问它？
这个数据会不会在进程上下文或者中断上下文中共享？它是不是要在两个不同的中断处理程序中共享？
进程在访问数据时可不可能被抢占？被调度的新程序会不会访问同一数据？
当前进程会不会睡眠(或者阻塞)在某些资源上，如果是，它会让共享数据处于何种状态？
怎样防止数据失控？
如果这个函数又在另一个处理器上被调度将会发生什么？

3. 死锁

死锁就是所有线程都在相互等待释放资源，导致谁也无法继续执行下去。

下面一些简单的规则可以帮助我们避免死锁：

如果有多个锁的话，尽量确保每个线程都是按相同的顺序加锁，按加锁相反的顺序解锁。(即加锁a->b->c，解锁c->b->a)
防止发生饥饿。即设置一个超时时间，防止一直等待下去。
不要重复请求同一个锁。
设计应力求简单。加锁的方案越复杂就越容易出现死锁。

4. 锁的粒度

在加锁的时候，不仅要避免死锁，还需要考虑加锁的粒度。

锁的粒度对系统的可扩展性有很大影响，在加锁的时候，要考虑一下这个锁是否会被多个线程频繁的争用。

如果锁有可能会被频繁争用，就需要将锁的粒度细化。

细化后的锁在多处理器的情况下，性能会有所提升。

举个例子说明一下：比如给一个链表加锁，同时有A，B，C 3个线程频繁访问这个链表。

那么当A，B，C 3个线程同时访问这个链表时，如果A获得了锁，那么B，C线程只能等待A释放了锁后才能访问这个链表。

如果A，B，C 3个线程访问的是这个链表的不同节点（比如A是修改节点listA，B是删除节点listB，C是追加节点listC），

并且这3个节点不是连续的，那么3个线程同时运行是不会有问题的。

这种情况下就可以细化这个锁，把加在链表上的锁去掉，改成把锁加在链表的每个节点上。（也就是锁粒度的细化）

那么，上述的情况下，A，B，C 3个线程就可以同时访问各自的节点，特别是在多处理器的情况下，性能会有显著提高。

最后还有一点需要提醒的是，锁的粒度越细，系统开销越大，程序也越复杂，所以对于争用不是很频繁的锁，就没有必要细化了。