《內(nèi)核中同步》課件

課程介紹歡迎來到內(nèi)核同步機(jī)制的課程。在這個(gè)課程中，我們將深入探討操作系統(tǒng)內(nèi)核中常見的同步機(jī)制，包括互斥鎖、自旋鎖、讀寫鎖、條件變量和信號(hào)量等。我們將了解它們的實(shí)現(xiàn)原理、使用場景、優(yōu)缺點(diǎn)和性能特點(diǎn)，幫助您全面掌握內(nèi)核中的同步技術(shù)。bymvdbeiwco@同步的重要性1程序正確性確保多線程程序的邏輯正確2資源保護(hù)防止數(shù)據(jù)被多線程同時(shí)訪問而產(chǎn)生錯(cuò)誤3性能優(yōu)化提高程序的并發(fā)執(zhí)行效率在操作系統(tǒng)內(nèi)核中,同步機(jī)制是非常重要的。它能夠確保多線程程序的邏輯正確性,保護(hù)關(guān)鍵資源不被并發(fā)訪問破壞,并提高程序的并發(fā)執(zhí)行效率。合理使用同步機(jī)制可以大大提高內(nèi)核的整體性能和穩(wěn)定性。同步的基本概念1原子性操作不可分割2可見性共享數(shù)據(jù)的可見性3有序性操作順序的保證同步的基本概念包括原子性、可見性和有序性。原子性要求操作不可被中斷或分割,必須以整體的形式執(zhí)行?？梢娦员ＷC共享數(shù)據(jù)的變化對(duì)其他線程可見。有序性確保操作的執(zhí)行順序得到保證,不會(huì)亂序執(zhí)行。理解這三個(gè)核心概念是掌握同步機(jī)制的基礎(chǔ)。同步的常見問題競爭條件多個(gè)線程同時(shí)訪問共享資源,可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致或程序錯(cuò)誤。如何防止這種競爭狀況發(fā)生?死鎖線程相互等待資源而陷入無限循環(huán),導(dǎo)致程序無法繼續(xù)執(zhí)行。如何避免死鎖的發(fā)生?饑餓某些線程long時(shí)間無法獲得所需資源,一直無法執(zhí)行。如何確保所有線程都能公平地獲得資源?互斥鎖1定義互斥鎖是一種同步機(jī)制,它確保同一時(shí)刻只有一個(gè)線程可以訪問共享資源。2原理互斥鎖使用原子操作在硬件層面實(shí)現(xiàn)對(duì)共享資源的獨(dú)占訪問,確保數(shù)據(jù)完整性。3特點(diǎn)互斥鎖可以防止競爭條件,但可能會(huì)導(dǎo)致死鎖和饑餓問題。自旋鎖定義自旋鎖是一種輕量級(jí)的同步機(jī)制,線程在獲取鎖失敗時(shí)會(huì)不斷檢查鎖的狀態(tài),直到成功獲取。特點(diǎn)自旋鎖開銷小,適用于臨界區(qū)短暫的情況。但如果臨界區(qū)較長,可能會(huì)導(dǎo)致CPU資源被占用。實(shí)現(xiàn)自旋鎖通常使用CAS(Compare-And-Swap)原子操作在硬件層面實(shí)現(xiàn)鎖的獲取和釋放。讀寫鎖1讀鎖定多個(gè)線程可以同時(shí)獲取讀鎖2寫鎖定只有一個(gè)線程可以獲取寫鎖3優(yōu)先級(jí)寫鎖比讀鎖優(yōu)先級(jí)高讀寫鎖是一種更加細(xì)粒度的同步機(jī)制。它允許多個(gè)線程同時(shí)讀取共享資源,但只允許一個(gè)線程獨(dú)占式地寫入。讀寫鎖通過區(qū)分讀操作和寫操作,在保證數(shù)據(jù)完整性的同時(shí),提高了并發(fā)性能。讀寫鎖的實(shí)現(xiàn)依賴于底層硬件提供的原子操作。條件變量1通知機(jī)制等待特定條件滿足2喚醒機(jī)制通知等待線程3靈活性可配合互斥鎖使用條件變量是一種更加靈活的同步機(jī)制。它提供了通知和等待的機(jī)制,允許線程在特定條件滿足時(shí)被喚醒,而不需要不斷地輪詢檢查。條件變量通常與互斥鎖配合使用,可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的同步需求。相比自旋鎖和互斥鎖,條件變量能更好地處理線程的等待和喚醒,提高了系統(tǒng)的并發(fā)性和響應(yīng)性。信號(hào)量1定義信號(hào)量是一種同步機(jī)制,通過計(jì)數(shù)器管理對(duì)共享資源的訪問。2原理信號(hào)量使用原子操作對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行增減,控制允許訪問共享資源的線程數(shù)量。3特點(diǎn)信號(hào)量可以避免死鎖和饑餓問題,適用于復(fù)雜的同步場景。屏障1定義屏障是一種同步機(jī)制2原理線程在屏障處等待直到所有參與的線程都到達(dá)3作用確保多個(gè)線程同時(shí)開始執(zhí)行屏障是一種強(qiáng)大的同步機(jī)制,它可以確保多個(gè)線程在指定的同步點(diǎn)上同時(shí)開始執(zhí)行。原理是線程在達(dá)到屏障時(shí)會(huì)一直等待,直到所有參與的線程都到達(dá)屏障后才能繼續(xù)往下執(zhí)行。屏障能夠有效地協(xié)調(diào)多個(gè)線程的執(zhí)行時(shí)序,避免由于時(shí)序問題導(dǎo)致的錯(cuò)誤。內(nèi)核中的同步機(jī)制互斥鎖確保同一時(shí)間只有一個(gè)線程訪問共享資源,防止競爭條件,但可能導(dǎo)致死鎖和饑餓。自旋鎖輕量級(jí)同步機(jī)制,線程在獲取失敗時(shí)會(huì)不斷檢查鎖狀態(tài),適用于臨界區(qū)較短的情況。讀寫鎖允許多個(gè)線程并發(fā)讀取,但只允許一個(gè)線程寫入,保證數(shù)據(jù)完整性的同時(shí)提高并發(fā)性能。條件變量提供通知和等待機(jī)制,允許線程在特定條件滿足時(shí)被喚醒,靈活性高。信號(hào)量通過計(jì)數(shù)器管理共享資源訪問,可以避免死鎖和饑餓,適用于復(fù)雜同步場景。屏障確保多個(gè)線程在指定同步點(diǎn)上同時(shí)開始執(zhí)行,協(xié)調(diào)線程執(zhí)行時(shí)序,避免時(shí)序問題。自旋鎖的實(shí)現(xiàn)1原子操作自旋鎖通常使用原子的CAS(Compare-And-Swap)指令在硬件層面實(shí)現(xiàn)鎖的獲取和釋放。2循環(huán)檢查線程在獲取鎖失敗時(shí)會(huì)不斷循環(huán)檢查鎖的狀態(tài),直到成功獲取鎖為止。3低開銷相比互斥鎖,自旋鎖的實(shí)現(xiàn)更加簡單高效,開銷較小,適用于臨界區(qū)較短的場景。自旋鎖的使用場景1短臨界區(qū)鎖占用時(shí)間短2高并發(fā)多線程頻繁競爭資源3無進(jìn)程切換避免切換到內(nèi)核態(tài)的開銷自旋鎖主要適用于臨界區(qū)較短、高并發(fā)場景,以及無需進(jìn)程切換的場合。在這些情況下,自旋鎖可以通過減少切換到內(nèi)核態(tài)的開銷,提高系統(tǒng)的并發(fā)性和響應(yīng)性。相比互斥鎖,自旋鎖的實(shí)現(xiàn)更加簡單高效,適合對(duì)延遲和實(shí)時(shí)性要求較高的場景,如中斷處理、內(nèi)核調(diào)度等。自旋鎖的優(yōu)缺點(diǎn)1優(yōu)點(diǎn)開銷小、適用于短臨界區(qū)2無內(nèi)核態(tài)切換避免切換到內(nèi)核態(tài)的開銷3實(shí)現(xiàn)簡單高效依賴硬件的原子操作自旋鎖的優(yōu)點(diǎn)在于其開銷較小、實(shí)現(xiàn)簡單高效。由于不需要進(jìn)行內(nèi)核態(tài)切換,自旋鎖特別適合用于臨界區(qū)較短的場景,能夠有效提高系統(tǒng)的并發(fā)性和響應(yīng)性。自旋鎖的實(shí)現(xiàn)依賴于底層硬件提供的原子操作,因此其開銷相對(duì)較低。1缺點(diǎn)臨界區(qū)長時(shí)間占用CPU2可能導(dǎo)致饑餓高優(yōu)先級(jí)線程可能永遠(yuǎn)無法獲取鎖3不適用于阻塞場景如果臨界區(qū)較長,會(huì)導(dǎo)致CPU資源被占用自旋鎖的主要缺點(diǎn)是在臨界區(qū)長時(shí)間占用CPU資源,可能導(dǎo)致其他線程饑餓。此外,如果臨界區(qū)較長,自旋鎖的性能也會(huì)明顯下降,因?yàn)樗贿m用于需要阻塞的場景。因此,需要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景來權(quán)衡自旋鎖的使用。自旋鎖的性能并發(fā)效率自旋鎖通過減少線程切換開銷,在高并發(fā)場景下能夠提供出色的性能。臨界區(qū)長度自旋鎖更適合于臨界區(qū)較短的場景,否則會(huì)導(dǎo)致CPU資源被占用過久。系統(tǒng)負(fù)載系統(tǒng)負(fù)載越重,自旋鎖的優(yōu)勢就越明顯,因?yàn)榍袚Q開銷會(huì)成為瓶頸?；コ怄i的實(shí)現(xiàn)1原子操作使用硬件提供的CAS指令2隊(duì)列機(jī)制維護(hù)等待線程的隊(duì)列3喚醒機(jī)制按照FIFO順序喚醒等待線程內(nèi)核中的互斥鎖通過原子的CAS(Compare-And-Swap)指令實(shí)現(xiàn)鎖的獲取和釋放。當(dāng)線程嘗試獲取鎖時(shí),如果鎖已經(jīng)被其他線程占用,該線程會(huì)被加入到等待隊(duì)列中。當(dāng)前占用鎖的線程在釋放鎖時(shí),會(huì)按照FIFO順序喚醒等待隊(duì)列中的線程。這種基于隊(duì)列的機(jī)制能夠有效避免線程的饑餓問題,并確保公平性?；コ怄i的使用場景1訪問共享資源確保同一時(shí)間只有一個(gè)線程訪問共享資源,避免數(shù)據(jù)競爭和不一致。2臨界區(qū)保護(hù)保護(hù)關(guān)鍵的代碼片段,確保線程在執(zhí)行臨界區(qū)時(shí)具有獨(dú)占性。3復(fù)雜同步需求在需要復(fù)雜的同步機(jī)制時(shí),互斥鎖是一種廣泛使用的解決方案?；コ怄i的優(yōu)缺點(diǎn)1優(yōu)點(diǎn)確保資源訪問的獨(dú)占性2防止競爭條件避免多個(gè)線程同時(shí)訪問共享資源3支持復(fù)雜同步需求可與其他同步機(jī)制靈活組合互斥鎖的主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠確保同一時(shí)間只有一個(gè)線程訪問共享資源,從而有效避免了競爭條件的發(fā)生。此外,互斥鎖支持復(fù)雜的同步需求,可以與其他同步機(jī)制如條件變量、信號(hào)量等靈活組合使用。1缺點(diǎn)可能導(dǎo)致死鎖和饑餓2切換開銷較大需要進(jìn)行內(nèi)核態(tài)切換3性能較自旋鎖差在臨界區(qū)較短時(shí)有較大開銷互斥鎖的主要缺點(diǎn)在于可能導(dǎo)致死鎖和饑餓問題。此外,互斥鎖需要進(jìn)行內(nèi)核態(tài)切換,開銷較大。相比自旋鎖,在臨界區(qū)較短的情況下,互斥鎖的性能也略顯遜色。因此在選擇使用何種同步機(jī)制時(shí),需要根據(jù)具體的應(yīng)用場景進(jìn)行權(quán)衡?；コ怄i的性能1并發(fā)性能互斥鎖在高并發(fā)場景下的性能可能不如自旋鎖,需要進(jìn)行內(nèi)核態(tài)切換。2臨界區(qū)長度互斥鎖更適合于臨界區(qū)較長的場景,因?yàn)樗苊饬藷o謂的CPU占用。3饑餓問題互斥鎖通過隊(duì)列機(jī)制可以有效避免饑餓問題,確保公平性。讀寫鎖的實(shí)現(xiàn)原子操作讀寫鎖使用原子的CAS(Compare-And-Swap)指令在硬件層面實(shí)現(xiàn)讀鎖和寫鎖的獲取與釋放。共享讀鎖多個(gè)讀線程可以同時(shí)獲取讀鎖,但只有一個(gè)寫線程可以獲取寫鎖。獨(dú)占寫鎖獲取寫鎖的線程具有獨(dú)占訪問權(quán),其他讀寫線程必須等待。讀寫鎖的使用場景1并發(fā)讀取多個(gè)線程同時(shí)讀取共享數(shù)據(jù)2讀寫分離讀操作和寫操作存在明顯區(qū)分3寫操作較少讀取操作遠(yuǎn)多于寫入操作讀寫鎖主要用于需要高并發(fā)讀取共享數(shù)據(jù)的場景。它允許多個(gè)讀線程同時(shí)訪問數(shù)據(jù),同時(shí)也可以防止寫線程與讀線程之間的沖突。這種機(jī)制特別適合于讀操作遠(yuǎn)多于寫操作的場景,例如緩存系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫查詢等。讀寫鎖能夠充分利用并發(fā)性,提高系統(tǒng)的整體吞吐量。讀寫鎖的優(yōu)缺點(diǎn)1優(yōu)點(diǎn)高并發(fā)讀取2讀寫分離避免讀寫沖突3提高吞吐量適合讀多寫少場景讀寫鎖的主要優(yōu)點(diǎn)在于能夠支持高并發(fā)的讀取操作,避免讀寫操作之間的沖突。通過區(qū)分讀鎖和寫鎖,讀寫鎖可以有效提高系統(tǒng)的吞吐量,特別適用于讀操作遠(yuǎn)多于寫操作的場景,如緩存系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫查詢等。1缺點(diǎn)復(fù)雜度較高2寫性能較差寫鎖具有獨(dú)占性3死鎖風(fēng)險(xiǎn)需要謹(jǐn)慎管理鎖的獲取順序讀寫鎖的主要缺點(diǎn)在于其實(shí)現(xiàn)相對(duì)復(fù)雜,需要額外管理讀鎖和寫鎖。由于寫鎖具有獨(dú)占性,寫操作的性能可能會(huì)受到影響。此外,讀寫鎖也存在死鎖的風(fēng)險(xiǎn),需要開發(fā)者謹(jǐn)慎管理鎖的獲取順序。因此在使用讀寫鎖時(shí),需要權(quán)衡具體場景的需求。讀寫鎖的性能并發(fā)讀取性能讀寫鎖允許多個(gè)讀線程并發(fā)訪問共享數(shù)據(jù),在讀多寫少的場景下能夠提供出色的并發(fā)性能。寫入性能寫鎖具有獨(dú)占性,會(huì)阻塞其他讀寫線程,因此寫入性能可能不如互斥鎖。需要根據(jù)實(shí)際場景權(quán)衡。內(nèi)存開銷讀寫鎖需要維護(hù)讀鎖和寫鎖的狀態(tài),相比互斥鎖會(huì)有一定的內(nèi)存開銷。但對(duì)于大多數(shù)場景來說,這種開銷可以忽略。條件變量的實(shí)現(xiàn)1等待隊(duì)列維護(hù)等待線程的隊(duì)列2原子操作使用硬件的同步原語3通知機(jī)制喚醒等待的線程內(nèi)核中的條件變量基于等待隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。當(dāng)線程等待條件變量時(shí),內(nèi)核會(huì)把該線程加入到等待隊(duì)列中。當(dāng)條件滿足時(shí),內(nèi)核會(huì)使用原子操作(如CAS指令)來喚醒等待隊(duì)列中的線程。這種基于隊(duì)列的機(jī)制能夠有效避免線程的饑餓問題,確保公平性。同時(shí),條件變量還需要與互斥鎖配合使用,確保線程安全地訪問共享數(shù)據(jù)。條件變量的使用場景1線程間同步條件變量可用于在多個(gè)線程之間進(jìn)行同