内核同步机制

同步理论的基本概念

•临界区(critical area): 访问或操作共享数据的代码段
简单理解:synchronized大括号中部分(原子性)

•竞争条件(race conditions)两个线程同时拥有临界区的执行权

•数据不一致:data unconsistency 由竞争条件引起的数据破坏

•同步(synchronization)避免race conditions

•锁:完成同步的手段(门锁,门后是临界区,只允许一个线程存在)
上锁解锁必须具备原子性

•原子性(Atomicity像原子一样不可分割的操作)

•有序性(Ordering禁止指令重排)

•可见性(Visibility一个线程内的修改,另一个线程可见)

互斥锁 排他锁 共享锁 分段锁

内核同步常用方法

  1. 原子操作 – 内核中类似于AtomicXXX,位于<linux/types.h>

  2. 自旋锁 – 内核中通过汇编支持的cas,位于<asm/spinlock.h>
    Java中的Atomic是由自旋锁来实现的,内核中不需要。
    自旋锁需要自旋,是占用CPU空间的

  3. 读-写自旋 – 类似于ReadWriteLock,可同时读,只能一个写
    读的时候是共享锁,写的时候是排他锁

  4. 信号量 – 类似于Semaphore(PV操作 up down操作 占有和释放)
    重量级锁,线程会进入wait,适合长时间持有的锁情况
    Java中的Semaphore也用的是自旋

  5. 读-写信号量 – downread upread downwrite upwrite
    (多个写,可以分段写,比较少用)(分段锁)

  6. 互斥体(mutex) – 特殊的信号量(二值信号量)

  7. 完成变量 – 特殊的信号量(A发出信号给B,B等待在完成变量上)
    vfork() 在子进程结束时通过完成变量叫醒(线程已经在等着了)父进程 类似于(Latch 门栓)
    内核底层支持,效率很高
    Java AIO实现,依然用的是epoll,并不是完成变量的模式

  8. BKL:大内核锁(早期,现在已经不用)

  9. 顺序锁(2.6): – 线程可以挂起的读写自旋锁
    序列计数器(从0开始,写时增加(+1),写完释放(+1),读前发现奇数,说明有写线程,这个值是一个中间状态。可以选择直接用,也可以选择自旋等待,读前读后序列一样,说明没有写线程打断)
    相对于读的时候是一个自旋锁,可以不停。只有写的时候必须是独占的,可以认为不是互斥的,允许读不允许写。

  10. 禁止抢占 – preempt_disable() 确认这个值只有一个CPU使用
    多处理中断时使用,可以直接用禁止抢占,不用上锁。(单核CPU多线程优化)
    java中没有对应操作

  11. 内存屏障 – 见volatile