4.内核同步 2009-12-24 23:24 250人阅读 评论(0) 收藏

        上述，在中断处理程序中，不可以发生进程切换，但在异常处理程序中，当前进程可能被另一进程取代，并按这种取代可否发生将内核分为可抢占式和不可抢占式。如进程A在异常处理程序中来了中断，在中断处理程序中唤醒了一个高优先级的进程B，如果内核是抢占式，那么会发生强制进程切换，用B切换A。异常处理则暂停（上一章述，它的一些信息存在内核异常栈中，该栈在进程的thread_info中）。再如，一个执行异常处理程序的进程用完了它的时间片，在抢占式内核情况下，进程会被取代，而非抢占式内核则会运行到异常处理结束。要区分的是内核的抢占与进程的抢占：Linux进程总是抢占的，而抢占式内核是由Love编写的，从linux2.6开始支持，Love写过一本《Linux内核设计与实现》。内核抢占的相关数据结构是thread_info结构中的preempt_count字段，它大于0时，禁用内核抢占，此字段由三个字段组成，分别是三个计数器：中断、可延迟函数、显式使用的抢占许可。所以，如上章所述，在硬中断或软中断中，preempt_count字段总大于0，即总是禁用内核抢占。综上，只有在显式抢占计数为0且在异常处理程序中时，内核才可以被抢占。但在异常准备返回时也要关中断，防止在做准备工作时被抢占。中断程序返回时，要检查CPU的thread_info中的flags字段是否为TIF_NEED_RESCHED，如果是，则会检查preempt_count与中断开关，确定是否要调用调度程序。内核抢占开销很大，在编译内核时可以设置相应的选项来开或关内核抢占。

       现在，有中断中断服务程序、中断异常服务程序、内核抢占、内核线程，如果再加上多处理器，使得内核同步以保护相关的临界区域变得非常重要和复杂。以下是常用的同步原语，多处理器先忽略：

1.       原子操作：顾名思义，不多说了。它的实现是由inc，等芯片级不可中断汇编语句。在多处理器环境中要加lock前缀，锁定内存总线。Linux专门提供了C函数与宏来实现。

2.       优化屏障、内存屏障：用编译器优化代码时，不要指望指令会严格按出现在源代码中的顺序来执行，同时，现代CPU会并行执行若干指令，并可重新安排内存访问。所以处理器同步要避免指令重排序。优化屏障使编译器不用寄存器中的值来优化asm指令前的代码。类似C的volatile功能；内存屏障确保原语之前的操作已经完成，原语之后的未开始。Linux提供的原语兼有两个屏障的功能。

3.       自旋锁：自旋，即忙等。为何要忙等？不能像信号量一样把自己阻塞起来？因为当在内核控制路径中的进程，有时（应该说大多数时）不可抢占，所以不能阻塞。它的概念上的功能同信号量。当然，自旋锁锁区禁止内核抢占，否则乱套了。

4.       禁止中断：最容易想到的同步方案，简单快捷，问题是对系统并发性影响很大。

5.       其它：读写自旋锁，实现读写同步的自旋锁，同读写信号量类似；顺序锁类似读写自旋锁，只是算法不同，它允许写者提前，而读者在读前与读后得分别读取一个计数值，而写会改变这个计数值。如果读前后的计数值不一致，说明读的过程中出现了写，这时要重读。

回头再看自旋锁，如果单CPU时自旋，那就系统冻结了，显然不行。它是给多CPU专用的。单CPU中，异常处理可被抢占，即进程可阻塞，所以用信号量，其它内核控制路径（中断，软中断）都不可抢占，所以只能通过关中断实现同步。这也再次说明了可延迟函数的必要性。否则单个中断太长，对并发度影响很大。

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