Linux内核设计与实现读书笔记(8)-内核同步方法

Linux内核设计与实现读书笔记(8)-内核同步方法
2010年12月25日
　　Linux内核设计与实现读书笔记(8)-内核同步方法     1、原子操作可以保证指令以原子的方式执行--执行过程不被打断。内核提供了两组原子操作接口，一组针对整数进行操作，一组针对单独的位进行操作。
　　2、针对整数的原子操作只能对atomic_t类型的数据进行处理。引入这个特殊数据类型主要是出于三个原因：首先，让原子函数只接受atomic_t类型的操作数可以确保原子操作只与这种特殊类型的数据一起使用。同时这也保证了该类型的数据不会被传递给其他任何非原子函数。其次，使用atomic_t类型确保编译器不对相应的值进行访问优化--这点使得原子操作最终接收到正确的内存地址，而不只是一个别名。最后，在不同体系结构上实现原子操作的时候，使用atomic_t可以屏蔽期间的差异。
　　3、尽管Linux支持的所有机器上的整型数据都是32位的，但是使用atomic_t的代码只能将该类型的数据当作24位来用。这是因为在SPARC体系结构上对原子操作缺乏指令级的支持，所以32位int类型的低8位被嵌入一个锁中，利用该锁来避免对原子类型数据的并发访问。
　　4、原子整数操作最常见的应用是实现计数器，一般使用atomic_inc()和atomic_dec()这两个函数。所有的标准原子整数操作见下表：
　　原子整数操作 描述 ATOMIC_INIT(int i)   在声明一个atomic_t变量时，将它初始化为i int atomic_read(atomic_t *v)   原子地读取整数变量v void atomic_set(atomic_t *v, int i)   原子地设置v值为i void atomic_add(int i, atomic_t *v)   原子地给v加i void atomic_sub(int i, atomic_t *v)    原子地从v减i void atomic_inc(atomic_t *v)   原子地给v加1 void atomic_dec(atomic_t *v)   原子地给v减1 int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v)   原子地从v减i，若结果等于0返回真，否则返回假 int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v)   原子地从v加i，若结果是负数返回真，否则返回假 int atomic_dec_and_test(atomic_t *v) 原子地从v减1，若结果等于0返回真，否则返回假 int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)   原子地从v加1，若结果等于0返回真，否则返回假       5、原子操作通常是内联函数，往往是通过内嵌汇编指令来实现的。在编写代码时，能使用原子操作的时候，就尽量不要使用复杂的加锁机制。对多数体系结构来讲，原子操作与更复杂的同步方法相比较，给系统带来的开销小，对高速缓存行的影响也小。
　　6、内核提供了针对位这一级数据进行操作的函数，他们定义在中。位操作函数是对普通的内存地址进行操作的，它的参数是一个指针和一个位号。标准原子位操作见下表：
　　原子位操作 描述 void set_bit(int nr, void *addr)   原子地设置addr所指对象的第nr位 void clear_bit(int nr, void *addr)   原子地清空addr所指对象的第nr位 void change_bit(int nr, void *addr)    原子地翻转addr所指对象的第nr位 int test_and_set_bit(int nr, void *addr)   原子地设置addr所指对象的第nr位，并返回原先的值 int test_and_clear_bit(int nr, void *addr)   原子地清空addr所指对象的第nr位，并返回原先的值 int test_and_change_bit(int nr, void *addr)   原子地翻转addr所指对象的第nr位，并返回原先的值 int test_bit(int nr, void *addr)   原子地返回addr所指对象的第nr位   内核还提供了一组与上述操作对应的非原子位函数，其名字前缀多两个下划线。内核还提供了两个例程用来从指定的地址开始搜索第一个被设置(或未被设置)的位：
　　int find_first_bit(unsigned long *addr,unsigned int size)
　　int find_first_zero_bit(unsigned long *addr,unsigned int size)
　　7、自旋锁最多只能被一个可执行线程持有。如果一个执行线程试图获得一个被争用(已经被持有)的自旋锁，那么该线程就会一直进行忙循环--旋转--等待锁重新可用。一个被争用的自旋锁使得请求它的线程在等待重新可用时自旋(特别浪费处理器时间)，所以自旋锁不应该被长时间持有。自旋锁的初衷是在短期内进行轻量级加锁。另外，自旋锁是不可递归的。
　　8、自旋锁可以使用在中断处理程序中。在中断处理程序中使用自旋锁时，一定要在获取锁之前，首先禁止本地中断，否则，中断处理程序就会打断正持有锁的内核代码，有可能会试图争用这个已经被持有的自旋锁。顺便提一下，选项CONFIG_DEBUG_SPINLOCK可用来调试自旋锁。针对自旋锁的操作见下表：
　　方法 描述 spin_lock( )   获取指定的自旋锁 spin_lock_irq( )   禁止本地中断并获取指定的锁 spin_lock_irqsave( )   保存本地中断的当前状态，禁止本地中断，并获取指定的锁     spin_unlock( )   释放指定的锁 spin_unlock_irq( )   释放指定的锁，并激活本地中断 spin_unlock_irqrestore( )   释放指定的锁，并让本地中断恢复到以前的状态 spin_lock_init( )   初始化指定的spinlock_t spin_trylock( )   试图获取指定的锁，如果未获取则返回非0 spin_is_locked( )   如果指定的锁当前正在被获取则返回非0，否则返回0 spin_lock_bh( )   禁止所有下半部的执行，并获取指定的锁 spin_unlock_bh( )   释放指定的锁，允许下半部的执行   9、当下半部和进程上下文共享数据时，需要加锁的同时还要禁止下半部执行；当中断处理程序和下半部共享数据时，需要加锁的同时还要禁止中断；当数据被两个不同种类的tasklet共享或软中断共享时，没有必要禁止下半部。
　　10、当对某个数据结构的操作可以被划分为读/写两种类别时，可以使用Linux专门提供的读--写自旋锁。这种自旋锁为读和写分别提供了不同的锁。一个或多个读任务可以并发的持有读者锁；相反，用于写的锁最多只能被一个写任务持有，而且此时不能有并发的读操作。
　　11、通常情况下，读锁和写锁会位于完全分割开的代码分支中，下面的代码将会带来死锁：
　　read_lock(&mr_rwlock);
　　write_lock(&mr_rwlock);
　　因为写锁会不断自旋，等待所有的读锁释放，其中也包括它自己。当确实需要写操作时，要在一开始就请求写锁。如果写和读不能清晰分开的话，那么就使用一般的自旋锁。多个读者可以安全地获得同一个读锁，即使一个线程递归地获得一个读锁也是安全的。这个特性使读--写自旋锁成为一种有用并且常用的优化手段。读--写锁这种机制照顾读要比照顾写多一点。读锁被持有时，写锁只能等待，但读者却可以继续成功地占用锁，大量的读者就会使挂起的写者处于饥饿状态。读--写锁的操作见下表：
　　方法 描述 read_lock( )   获取指定的读锁 read_lock_irq( )   禁止本地中断并获取指定的读锁 read_lock_irqsave( )   保存本地中断的当前状态，禁止本地中断并获取指定的读锁 r