Linux中的屏障实现原理及应用解析 (linux 屏障)

概览

屏障在计算机领域中是一个非常重要的概念，尤其是在多核处理器时代。在Linux中，屏障被广泛使用，在各种应用程序，包括数据结构，同步机制等中都有广泛的应用。在这篇文章中，我们将探讨Linux中屏障的实现原理和应用。

什么是屏障？

屏障指的是一种同步机制，它可以使多个线程或多个CPU同时到达某一个位置，并且保证这些线程或CPU都已经完成了之前的操作。在计算机领域中，屏障在多核处理器上非常常见，它可以保证多个线程或CPU按照某种特定的次序进行操作，避免了数据的混乱和竞争状态的发生，从而提高了程序的执行效率。

Linux中的屏障实现原理

在Linux中，屏障的实现有两种方式：软件实现和硬件实现。软件实现主要是通过编写特定的代码来实现，而硬件实现是通过特定的CPU指令来实现。在这里，我们主要讨论软件实现。

Linux中的屏障机制，主要是通过特定的内核函数来实现。这些内核函数用于控制多核处理器的并发访问。其中，包括以下几个主要的函数：

1. write_barrier()

这个函数可用来确保写操作的顺序正确。例如，如果一个数据结构有多个字段，并且需要按照某种特定的顺序进行写入，那么这个函数就可以派上用场。这个函数会强制执行一个存储屏障指令，以确保写操作按照正确的顺序执行。

2. read_barrier()

这个函数用于确保读操作的顺序正确。例如，如果一个数据结构有多个字段，并且需要按照特定的顺序进行读取，那么这个函数就可以派上用场。这个函数会强制执行一个加载屏障指令，以确保读操作按照正确的顺序执行。

3. p_mb()

这个函数用于在不同的CPU之间保持一致性。例如，如果一个CPU操作了一个共享的数据结构，并且希望另一个CPU也能访问同样的数据结构，那么这个函数就可以派上用场。这个函数会强制执行一个前缀屏障指令，以确保多个CPU上的操作顺序正确，并且数据是同步的。

4. p_rmb(), p_wmb()

这两个函数用于保证读和写操作的顺序正确。例如，如果一个数据结构需要进行读和写操作，那么这个函数就可以派上用场。这两个函数都会强制执行内存屏障指令，以确保读和写操作按照正确的顺序执行。

Linux中屏障的应用

Linux中的屏障在各种应用程序中都有广泛的应用。以下是一些常见的应用场景：

1. 数据结构

在Linux中，许多数据结构被广泛使用。例如，链表、队列、堆栈等等。这些数据结构需要对多个CPU进行访问，从而提高系统的并发性能。在这种情况下，屏障可以确保数据结构的正确性，并且避免了竞争状态的发生，提高了程序的执行效率。

2. 同步机制

Linux中的屏障可以作为同步机制使用。例如，在多线程编程中，如果多个线程需要按照某种特定的次序进行执行，那么屏障就可以起到很好的作用。通过屏障，可以确保多个线程都已经完成之前的操作，从而实现同步执行。

3. 并发编程

在Linux中，屏障是一种非常重要的并发编程技术。通过屏障，可以避免竞争状态的发生，并且保证多个CPU或多个线程的正确性。在高并发环境中，屏障可以提高程序的执行效率，并且避免了各种竞争状态导致的问题。

在计算机领域中，屏障是一种重要的同步机制。在Linux中，屏障被广泛应用在各种应用程序中，包括数据结构、同步机制和并发编程等。通过屏障的使用，可以保证程序的正确性和高效性。在Linux中，屏障的实现可以通过软件和硬件两种方式实现。但是，由于硬件实现需要特定的CPU指令，因此它的可移植性比较差。相比之下，软件实现更加通用和可移植。

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Linux内核设计与实现 十、内核同步方法

手把手教Linux驱动5-自旋锁、信号量、互斥体概述

==

基础概念：

==

并发

：多个执行单元同时进行或多个执行单元微观串行执行，宏谨拿观并行执行

竞态

：并发的执行单元对共享资源（硬件资源和软件上的全局变量）的访问而导致的竟态状态。

临界资源

：多个进程访问的资源

临界区

：多个进程访问的代码段

==

并发场合：

==

1、单CPU之间进程间的并发

:时间片轮转，调度进程。 A进程访问打印机，时间片用完，OS调度B进程访问打印机。

2、单cpu上进程和中断之间并发

：CPU必须停止当前进程的执行中断;

3、多cpu之间

4、单CPU上中断之间的并发

==

使用偏向：

==

==信号量用于进程之间的同步，进程在信号量保护的临界区代码里面是可以睡眠的（需要进行进程调度），这是与自旋锁更大的区别。==

信号量又称为信号灯，它是用来协调不同进程间的数据对象的，而最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。它负责协调各个进程，以保证他们能够正确、合理的使用公共资源。它和spin lock更大的不同之处就是：无法获取信号量的进程可以睡眠祥李搭，因此会导致系统调度。

1、==用于进程与进程之间的同步==

2、==允许多个进程进入临界区代码执行，临界区代码允许睡眠；==

3、信号量本质是==基于调度器的==，在UP和P下没有区别；进程获取不到信号量将陷入休眠，并让出CPU；

4、不支持进程和中断之间的同步

5、==进程调度也是会消耗系统资源的，如果一个int型共享变量就需要使用信号量，将极大的浪费系统资源==

6、信号量可以用于多个线程，用于资源的计数（有多种状态）

==信号量加锁以及解锁过程：==

sema_init(&sp->dead_sem, 0); /

初始化

/

down(&sema);

临界区代码

up(&sema);

==信号量定义：==

==信号量初始化：==

==dowm函数实现扰高：==

==up函数实现：==

信号量一般可以用来标记可用资源的个数。

举2个生活中的例子：

==dowm函数实现原理解析：==

（1）down

判断sem->count是否 > 0，大于0则说明系统资源够用，分配一个给该进程，否则进入__down(sem);

（2）__down

调用__down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);其中TASK_UNINTERRUPTIBLE=2代表进入睡眠，且不可以打断；MAX_SCHEDULE_TIMEOUT休眠最长LONG_MAX时间；

（3）list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);

把当前进程加入到sem->wait_list中；

（3）先解锁后加锁;

进入__down_common前已经加锁了，先把解锁，调用schedule_timeout(timeout)，当waiter.up=1后跳出for循环；退出函数之前再加锁；

Linux内核ARM构架中原子变量的底层实现研究

rk3288 原子操作和原子位操作

原子变量适用于只共享一个int型变量；

1、原子操作是指不被打断的操作，即它是最小的执行单位。

2、最简单的原子操作就是一条条的汇编指令(不包括一些伪指令，伪指令会被汇编器解释成多条汇编指令)

==常见函数：==

==以atomic_inc为例介绍实现过程==

在Linux内核文件archarmincludeaatomic.h中。 执行atomic_read、atomic_set这些操作都只需要一条汇编指令，所以它们本身就是不可打断的。 需要特别研究的是atomic_inc、atomic_dec这类读出、修改、写回的函数。

所以atomic_add的原型是下面这个宏：

atomic_add等效于：

result（%0） tmp（%1） (v->counter)（%2） (&v->counter)（%3） i（%4）

注意：根据内联汇编的语法，result、tmp、&v->counter对应的数据都放在了寄存器中操作。如果出现上下文切换，切换机制会做寄存器上下文保护。

（1）ldrex %0,

意思是将&v->counter指向的数据放入result中，并且（分别在Local monitor和Global monitor中）设置独占标志。

（2）add %0, %0, %4

result = result + i

（3）strex %1, %0,

意思是将result保存到&v->counter指向的内存中，

此时 Exclusive monitors会发挥作用，将保存是否成功的标志放入tmp中。

（4） teq %1, #0

测试strex是否成功（tmp == 0 ？？）

（5）bne 1b

如果发现strex失败，从（1）再次执行。

Spinlock 是内核中提供的一种比较常见的锁机制，==自旋锁是“原地等待”的方式解决资源冲突的==，即，一个线程获取了一个自旋锁后，另外一个线程期望获取该自旋锁，获取不到，只能够原地“打转”（忙等待）。由于自旋锁的这个忙等待的特性，注定了它使用场景上的限制 —— 自旋锁不应该被长时间的持有（消耗 CPU 资源），一般应用在==中断上下文==。

1、spinlock是一种死等机制

2、信号量可以允许多个执行单元进入，spinlock不行，一次只能允许一个执行单元获取锁，并且进入临界区，其他执行单元都是在门口不断的死等

3、由于不休眠，因此spinlock可以应用在中断上下文中；

4、由于spinlock死等的特性，因此临界区执行代码尽可能的短；

==spinlock加锁以及解锁过程：==

spin_lock(&devices_lock);

临界区代码

spin_unlock(&devices_lock);

==spinlock初始化==

==进程和进程之间同步==

==本地软中断之间同步==

==本地硬中断之间同步==

==本地硬中断之间同步并且保存本地中断状态==

==尝试获取锁==

==

arch_spinlock_t结构体定义如下：

==

==

arch_spin_lock的实现如下：

==

lockval（%0） newval（%1） tmp（%2） &lock->slock（%3） 1 slock的值赋值给lockval；并且（分别在Local monitor和Global monitor中）设置独占标志。

（2）add %1, %0, %4

newval =lockval +（1slock指向的内存中，

此时 Exclusive monitors会发挥作用，将保存是否成功的标志放入tmp中。

（4） teq %2, #0

测试strex是否成功

（5）bne 1b

如果发现strex失败，从（1）再次执行。

通过上面的分析，可知关键在于strex的操作是否成功的判断上。而这个就归功于ARM的Exclusive monitors和ldrex/strex指令的机制。

（6）while (lockval.tickets.next != lockval.tickets.owner)

如何lockval.tickets的next和owner是否相等。相同则跳出while循环，否则在循环内等待判断；

*

（7）wfe()和p_mb() 最终调用#define barrier()

a

volatile

(“”: : :”memory”) *

阻止编译器重排，保证编译程序时在优化屏障之前的指令不会在优化屏障之后执行。

==

arch_spin_unlock的实现如下：

==

退出锁时：tickets.owner++

==

出现死锁的情况：

==

1、拥有自旋锁的进程A在内核态阻塞了，内核调度B进程，碰巧B进程也要获得自旋锁，此时B只能自旋转。 而此时抢占已经关闭，（单核）不会调度A进程了，B永远自旋，产生死锁。

2、进程A拥有自旋锁，中断到来，CPU执行中断函数，中断处理函数，中断处理函数需要获得自旋锁，访问共享资源，此时无法获得锁，只能自旋，产生死锁。

==

如何避免死锁：

==

1、如果中断处理函数中也要获得自旋锁，那么驱动程序需要在拥有自旋锁时禁止中断；

2、自旋锁必须在可能的最短时间内拥有

3、避免某个获得锁的函数调用其他同样试图获取这个锁的函数，否则代码就会死锁；不论是信号量还是自旋锁，都不允许锁拥有者第二次获得这个锁，如果试图这么做，系统将挂起；

4、锁的顺序规则（a) 按同样的顺序获得锁；b) 如果必须获得一个局部锁和一个属于内核更中心位置的锁，则应该首先获取自己的局部锁 ;c) 如果我们拥有信号量和自旋锁的组合，则必须首先获得信号量；在拥有自旋锁时调用down(可导致休眠)是个严重的错误的；）

==

rw（read/write）spinlock：

==

加锁逻辑：

1、假设临界区内没有任何的thread，这个时候任何的读线程和写线程都可以键入

2、假设临界区内有一个读线程，这时候信赖的read线程可以任意进入，但是写线程不能进入；

3、假设临界区有一个写线程，这时候任何的读、写线程都不可以进入；

4、假设临界区内有一个或者多个读线程，写线程不可以进入临界区，但是写线程也无法阻止后续的读线程继续进去，要等到临界区所有的读线程都结束了，才可以进入，可见：==rw（read/write）spinlock更加有利于读线程；==

==

seqlock（顺序锁）：

==

加锁逻辑：

1、假设临界区内没有任何的thread，这个时候任何的读线程和写线程都可以键入

2、假设临界区内没有写线程的情况下，read线程可以任意进入；

3、假设临界区有一个写线程，这时候任何的读、写线程都不可以进入；

4、假设临界区内只有read线程的情况下，写线程可以理解执行，不会等待，可见：==seqlock（顺序锁）更加有利于写线程；==

读写速度

：

CPU > 一级缓存 > 二级缓存 > 内存

，因此某一个CPU0的lock修改了，其他的CPU的lock就会失效；那么其他CPU就会依次去L1 L2和主存中读取lock值，一旦其他CPU去读取了主存，就存在系统性能降低的风险；

mutex用于互斥操作。

互斥体只能用于一个线程，资源只有两种状态（占用或者空闲）

1、mutex的语义相对于信号量要简单轻便一些，在锁争用激烈的测试场景下，mutex比信号量执行速度更快，可扩展

性更好，

2、另外mutex数据结构的定义比信号量小;、

3、同一时刻只有一个线程可以持有mutex

4、不允许递归地加锁和解锁

5、当进程持有mutex时，进程不可以退出。

• mutex必须使用官方API来初始化。

• mutex可以睡眠，所以不允许在中断处理程序或者中断下半部中使用，例如tasklet、定时器等

==常见操作：==

struct mutex mutex_1;

mutex_init(&mutex_1);

mutex_lock(&mutex_1)

临界区代码；

mutex_unlock(&mutex_1)

==常见函数：==

=