Linux内核进程管理并发同步与原子操作

一、并发同步

   并发是指在某一时间段内能够处理多个任务的能力，而 并行 是指同一时间能够处理多个任务的能力。并发和并行看起来很像，但实际上是有区别的，如下图（图片来源于网络）：

   上图的意思是，有两条在排队买咖啡的队列，并且只有一架咖啡机在处理，而并行就有两架的咖啡机在处理。咖啡机的数量越多，并行能力就越强。可以把上面的两条队列看成两个进程，并发就是指只有单个CPU在处理，而并行就有两个CPU在处理。为了让两个进程在单核CPU中也能得到执行，一般的做法就是让每个进程交替执行一段时间，比如让每个进程固定执行100毫秒 ，执行时间使用完后切换到其他进程执行。而并行就没有这种问题，因为有两个CPU，所以两个进程可以同时执行。如下图：

   上面介绍过，并发有可能会打断当前执行的进程，然后替切换成其他进程执行。如果有两个进程同时对一个共享变量 count 进行加一操作，由于C语言的 count++ 操作会被翻译成如下指令：
1.mov eax, [count]
2.inc eax
3.mov [count], eax
那么在并发的情况下，有可能出现如下问题：

假设count变量初始值为0：
（1）进程1执行完 mov eax, [count] 后，寄存器eax内保存了count的值0。
（2）进程2被调度执行。进程2执行 count++ 的所有指令，将累加后的count值1写回到内存。
（3）进程1再次被调度执行，计算count的累加值仍为1，写回到内存。

   虽然进程1和进程2执行了两次 count++ 操作，但是count最后的值为1，而不是2。要解决这个问题就需要使用 原子操作 ，原子操作是指不能被打断的操作，在单核CPU中，一条指令就是原子操作。比如上面的问题可以把 count++ 语句翻译成指令 inc [count] 即可。Linux也提供了这样的原子操作，如对整数加一操作的 atomic_inc() ：


1.static __inline__ void atomic_inc(atomic_t *v)
2.{
3.__asm__ __volatile__(
4.LOCK "incl %0"
5.:"=m" (v->counter)
6.:"m" (v->counter));
7.}


在多核CPU中，一条指令也不一定是原子操作，比如 inc [count] 指令在多核CPU中需要进行如下过程：
（1）从内存将count的数据读取到cpu。
（2）累加读取的值。
（3）将修改的值写回count内存。
Intel x86 CPU 提供了 lock 前缀来锁住总线，可以让指令保证不被其他CPU中断，如下：
1.lock
2.inc [count]


二、锁
1、原子操作、自旋锁、信号量、互斥锁以及RCU的特点和使用规则。
   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。
   下面介绍一下自旋锁和信号量的实现。


2、自旋锁
自旋锁只能在多核CPU系统中，其核心原理是 原子操作 ，原理如下图：



使用自旋锁时，必须先对自旋锁进行初始化（设置为1），上锁过程如下：
（1）对自旋锁 lock 进行减一操作，判断结果是否等于0，如果是表示上锁成功并返回。
（2）如果不等于0，表示其他进程已经上锁，此时必须不断比较自旋锁 lock 的值是否等于1（表示已经解锁）。
（3）如果自旋锁 lock 等于1，跳转到第一步继续进行上锁操作。
由于Linux的自旋锁使用汇编实现，所以比较苦涩难懂，这里使用C语言来模拟一下：


1.void spin_lock(amtoic_t *lock)
2.{
3.again:
4.result = --(*lock);
5.if (result == 0) {
6.return;
7.}
8.while (true) {
9.if (*lock == 1) {
10.goto again;
11.}
12.}
13.}


   上面代码将 result = --(*lock); 当成原子操作，解锁过程只需要把 lock 设置为1即可。由于自旋锁会不断尝试上锁操作，并不会对进程进行调度，所以在单核CPU中可能会导致 100% 的CPU占用率。另外，自选锁只适合粒度比较小的操作，如果操作粒度比较大，就需要使用信号量这种可调度进程的锁。


3、信号量
   与自旋锁不一样，当前进程对 信号量 进行上锁时，如果其他进程已经对其进行上锁，那么当前进程会进入睡眠状态，等待其他人对信号量进行解锁。过程如下图：


在Linux内核中，信号量使用 struct semaphore 表示，定义如下：
1.struct semaphore {
2.raw_spinlock_t lock;
3.unsigned int count;
4.struct list_head wait_list;
5.};
各个字段的作用如下：
（1）lock ：自旋锁，用于对多核CPU平台进行同步。
（2）count ：信号量的计数器，上锁时对其进行减一操作(count--)，如果得到的结果为大于等于0，表示成功上锁，如果小于0表示已经被其他进程上锁。
（3）wait_list ：正在等待信号量解锁的进程队列。


信号量上锁通过 down() 函数实现，代码如下：
1.void down(struct semaphore *sem)
2.{
3.unsigned long flags;
4.spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
5.if (likely(sem->count > 0))
6.sem->count--;
7.else
8.__down(sem);
9.spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
10.}
   上面代码可以看出，down() 函数首先对信号量进行自旋锁操作（为了避免多核CPU竞争），然后比较计数器是否大于0，如果是对计数器进行减一操作，并且返回，否则调用 __down() 函数进行下一步操作。
__down() 函数实现如下：
1.static noinline void __sched __down(struct semaphore *sem)
2.{
3.__down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);
4.}
5.static inline int __down_common(struct semaphore *sem,
6.long state, long timeout)
7.{
8.struct task_struct *task = current;
9.struct semaphore_waiter waiter;
10.// 把当前进程添加到等待队列中
11.list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
12.waiter.task = task;
13.waiter.up = 0;
14.for (;;) {
...
15.__set_task_state(task, state);
16.spin_unlock_irq(&sem->lock);
17.timeout = schedule_timeout(timeout);
18.spin_lock_irq(&sem->lock);
19.if (waiter.up) // 当前进程是否获得信号量锁?
20.return 0;
21.}
...
22.}
__down() 函数最终调用 __down_common() 函数，而 __down_common() 函数的操作过程如下：
（1）把当前进程添加到信号量的等待队列中。
（2）切换到其他进程运行，直到被其他进程唤醒。
（3）如果当前进程获得信号量锁（由解锁进程传递），那么函数返回。


接下来看看解锁过程，解锁过程主要通过 up() 函数实现，代码如下：
1.void up(struct semaphore *sem)
2.{
3.unsigned long flags;
4.raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
5.if (likely(list_empty(&sem->wait_list))) // 如果没有等待的进程, 直接对计数器加一操作
6.sem->count++;
7.else
8.__up(sem); // 如果有等待进程, 那么调用 __up() 函数进行唤醒
9.raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
10.}
11.static noinline void __sched __up(struct semaphore *sem)
12.{
13.// 获取到等待队列的第一个进程
14.struct semaphore_waiter *waiter = list_first_entry(
15.&sem->wait_list, struct semaphore_waiter, list);
16.list_del(&waiter->list); // 把进程从等待队列中删除
17.waiter->up = 1; // 告诉进程已经获得信号量锁
18.wake_up_process(waiter->task); // 唤醒进程
19.}


解锁过程如下：
（1）判断当前信号量是否有等待的进程，如果没有等待的进程, 直接对计数器加以操作
（2）如果有等待的进程，那么获取到等待队列的第一个进程。
（3）把进程从等待队列中删除。
（4）告诉进程已经获得信号量锁
（5）唤醒进程