關(guān)于Linux kernel同步機(jī)制的這些知識(shí)點(diǎn)你不得不知道

前言

同步就是進(jìn)程與進(jìn)程之間，進(jìn)程與系統(tǒng)資源之間的交互。由于 Linux內(nèi)核采用的是多任務(wù)，所以在多個(gè)進(jìn)程之間，必須要有同步機(jī)制來(lái)保證彼此協(xié)調(diào)。

在 Linux內(nèi)核中，有很多種同步機(jī)制。今天我們主要講一下 kernel中的異步和同步機(jī)制，其中重點(diǎn)介紹一下 kernel中的異步機(jī)制，kernel中的異步機(jī)制分為兩種：一種是應(yīng)用層的同步機(jī)制，也就是應(yīng)用層線程之間的通信，另一種是內(nèi)核的同步機(jī)制。

當(dāng)一個(gè)線程進(jìn)入到內(nèi)核態(tài)后，就可以直接跟內(nèi)核溝通了， kernel中有兩個(gè)線程是這樣的：一個(gè)是線程A，它進(jìn)入內(nèi)核態(tài)后，會(huì)直接跟內(nèi)核溝通，告訴它我要去干啥了，等我干完了就會(huì)通知你。（這個(gè)操作我們叫它 semi）當(dāng)一個(gè)線程進(jìn)入到內(nèi)核態(tài)后，會(huì)先去跟內(nèi)核溝通一次，然后就可以直接去執(zhí)行了。

kernel中的同步機(jī)制，本質(zhì)上就是線程間的通信機(jī)制，它們之間的通信就是通過(guò)同步機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

一、進(jìn)程間的通信

為了保證系統(tǒng)的正確性和一致性， Linux內(nèi)核會(huì)在進(jìn)程間通信的過(guò)程中使用阻塞隊(duì)列來(lái)處理進(jìn)程間的通信。阻塞隊(duì)列是指在消息隊(duì)列中的某個(gè)元素在消息發(fā)出時(shí)就被創(chuàng)建，但并不是所有的消息都會(huì)被發(fā)送出去，只有當(dāng)某一條消息的等待隊(duì)列滿了才會(huì)被發(fā)送出去。如果接收方等待隊(duì)列中沒(méi)有消息，則會(huì)接收到通知，如果接收方等待隊(duì)列中有消息，則不會(huì)收到通知。

在內(nèi)核中，對(duì)阻塞隊(duì)列進(jìn)行了抽象，即當(dāng)某個(gè)進(jìn)程發(fā)出了一個(gè)消息后，它就被阻塞了。因此，阻塞隊(duì)列實(shí)際上是一種同步機(jī)制。阻塞隊(duì)列通過(guò)一個(gè)特定的函數(shù)來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)象，該對(duì)象包含一個(gè)等待隊(duì)列指針（Push/Pop）。當(dāng)?shù)却?duì)列滿了之后，系統(tǒng)將把該等待隊(duì)列指針指向的對(duì)象作為第一個(gè)發(fā)出通知的進(jìn)程的線程。也就是說(shuō)，該進(jìn)程會(huì)收到通知后才能繼續(xù)執(zhí)行它的任務(wù)。

二、信號(hào)量

信號(hào)量可以用來(lái)發(fā)送或接收消息。當(dāng)一個(gè)進(jìn)程擁有了一個(gè)信號(hào)量，就意味著他已經(jīng)擁有了一個(gè)屬于自己的信號(hào)量，這個(gè)信號(hào)量是他自己的一個(gè)私有變量。這個(gè)私有變量是不能被其它進(jìn)程拿到的。信號(hào)量用來(lái)表示一個(gè)進(jìn)程所擁有的信號(hào)量數(shù)量，當(dāng)這個(gè)進(jìn)程擁有了這個(gè)信號(hào)量之后，就可以向其它進(jìn)程發(fā)送消息。這個(gè)私有變量只允許這個(gè)進(jìn)程自己使用，不可以把它拿到其它進(jìn)程的進(jìn)程中去。

當(dāng)一個(gè)線程擁有了自己的信號(hào)量之后，就可以通過(guò)共享變量來(lái)與其它線程進(jìn)行通信了。共享變量也是在其它線程中進(jìn)行使用的，其它線程使用共享變量來(lái)和自己進(jìn)行通信。

三、互斥量

互斥量主要是針對(duì)系統(tǒng)資源來(lái)說(shuō)的。Linux內(nèi)核中的互斥量又可以分為兩種：共享資源和全局互斥資源。

共享資源就是進(jìn)程之間共享的，比如一個(gè)進(jìn)程有多個(gè)線程，那么每個(gè)線程都可以訪問(wèn)這個(gè)共享的內(nèi)存空間。全局互斥資源就是進(jìn)程和線程之間只能訪問(wèn)到自己所在的全局內(nèi)存空間。在一個(gè)系統(tǒng)中，可以使用互斥量來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程同時(shí)在內(nèi)存中執(zhí)行。但是如果要實(shí)現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程同時(shí)執(zhí)行，就需要使用同步機(jī)制，這樣才能保證所有的進(jìn)程都能夠在同一個(gè)內(nèi)存中運(yùn)行。使用互斥量，一個(gè)進(jìn)程只能訪問(wèn)到自己所在的全局內(nèi)存空間，而無(wú)法訪問(wèn)其它內(nèi)存空間。但是互斥量有一個(gè)很大的好處，那就是不會(huì)出現(xiàn)進(jìn)程阻塞等情況。

四、消息隊(duì)列

消息隊(duì)列的出現(xiàn)，對(duì)進(jìn)程間通信進(jìn)行了很大的擴(kuò)展。在 kernel中，除了同步機(jī)制外，還有另外一種異步機(jī)制，那就是消息隊(duì)列。我們都知道， Linux內(nèi)核是支持消息隊(duì)列的。雖然在內(nèi)核中也有關(guān)于消息隊(duì)列的詳細(xì)信息，但是由于內(nèi)核是不支持用戶態(tài)的消息隊(duì)列的，所以我們還是要從應(yīng)用層入手來(lái)了解一下消息隊(duì)列。

首先我們先了解一下消息隊(duì)列是什么？

消息隊(duì)列是一種特殊的隊(duì)列，它能夠滿足多個(gè)應(yīng)用線程之間的同步需要。消息隊(duì)列用于提供應(yīng)用程序與其他進(jìn)程或線程之間的異步通信。如果我們需要進(jìn)行異步通信，那么就可以通過(guò)使用消息隊(duì)列來(lái)進(jìn)行。比如當(dāng)我們調(diào)用 clear （）函數(shù)時(shí)，我們就可以直接使用一個(gè)已注冊(cè)的消息隊(duì)列。

那么如何創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列呢？當(dāng)我們使用ext2. json時(shí)，可以在 JAR. json. clear （）中使用 semaphore命令創(chuàng)建一個(gè)消息隊(duì)列。

五、共享內(nèi)存

在共享內(nèi)存中，我們使用的是共享鎖，但因?yàn)楣蚕礞i是與某個(gè)進(jìn)程共享內(nèi)存，所以當(dāng)你想要獲取共享鎖的時(shí)候，你需要向其他進(jìn)程請(qǐng)求。

就像在上面的例子中，我們通過(guò) volatile關(guān)鍵字來(lái)訪問(wèn)共享內(nèi)存。此時(shí)你并沒(méi)有向其他進(jìn)程請(qǐng)求，所以當(dāng)你想要獲取這個(gè)共享鎖時(shí)，只需要向其他進(jìn)程請(qǐng)求。這樣就避免了兩個(gè)進(jìn)程之間的互相競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。

由于共享鎖是與某個(gè)進(jìn)程共享內(nèi)存，所以你必須向該進(jìn)程請(qǐng)求訪問(wèn)它的地址。對(duì)于這種情況來(lái)說(shuō)，最簡(jiǎn)單的解決方案就是使用線程池。

在線程池中有一個(gè)叫做“byte”的對(duì)象，它也是一個(gè)共享鎖。當(dāng)你想要獲取這個(gè)鎖時(shí)，只需要向 byte對(duì)象發(fā)送請(qǐng)求就可以了。這時(shí)候 byte對(duì)象會(huì)將你的請(qǐng)求發(fā)送到該線程的隊(duì)列中，當(dāng)該線程收到請(qǐng)求時(shí)，它就會(huì)給你返回一個(gè)響應(yīng)消息。

六、線程池

線程池是一個(gè)非常好的線程管理工具，它可以讓多個(gè)線程同時(shí)運(yùn)行，還可以減少線程之間的死鎖和沖突。它還有一個(gè)最重要的特點(diǎn)就是，可以有效地利用系統(tǒng)的內(nèi)存，達(dá)到提高效率的目的。

線程池的使用非常簡(jiǎn)單，就是把要執(zhí)行的任務(wù)分配到相應(yīng)的線程池中。當(dāng)要執(zhí)行的任務(wù)分配到相應(yīng)線程池后，就可以執(zhí)行了。使用線程池會(huì)給我們帶來(lái)很多好處：

可以更快地完成任務(wù)。當(dāng)一個(gè)任務(wù)被分配到了線程池中，就會(huì)被循環(huán)執(zhí)行下去，直到執(zhí)行完成或者是線程重新創(chuàng)建完成。

提高了資源利用效率。當(dāng)一個(gè)任務(wù)需要很多資源時(shí)，例如 CPU、內(nèi)存等，我們就可以使用線程池來(lái)管理這些資源，使每個(gè)線程都有足夠的 CPU和內(nèi)存來(lái)執(zhí)行這個(gè)任務(wù)。

七、內(nèi)核態(tài)的同步機(jī)制

上面介紹了兩種同步機(jī)制，那么我們來(lái)看看內(nèi)核態(tài)的同步機(jī)制，在內(nèi)核態(tài)有四種同步方式：

信號(hào)量：它是用來(lái)操作鎖的，當(dāng)一個(gè)線程占用了一個(gè)鎖時(shí)，它會(huì)向系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)量。

信號(hào)量傳遞：這個(gè)機(jī)制是由操作系統(tǒng)提供的，在調(diào)用sys_thread函數(shù)后，會(huì)進(jìn)入中斷狀態(tài)，此時(shí)調(diào)用sys_thread函數(shù)時(shí)，就會(huì)將信號(hào)量傳遞給系統(tǒng)。

互斥鎖：這種方式主要是通過(guò)優(yōu)先級(jí)的高低來(lái)控制對(duì)資源的訪問(wèn)。

互斥鎖和信號(hào)量都是用來(lái)解決進(jìn)程之間的同步問(wèn)題的。

還有一種同步方式是通過(guò)線程池來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在這個(gè)過(guò)程中，線程池會(huì)創(chuàng)建一個(gè)線程，通過(guò)這個(gè)線程來(lái)跟其他線程進(jìn)行交互，從而達(dá)到同步效果。

八、總結(jié)

通過(guò)上面的分析我們了解到，同步是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，在內(nèi)核態(tài)是如何完成同步的呢？

首先，在內(nèi)核態(tài)有三個(gè)進(jìn)程：這三個(gè)進(jìn)程都可以互相訪問(wèn)對(duì)方的資源，也可以在資源被其他進(jìn)程請(qǐng)求時(shí)進(jìn)行同步。

當(dāng)某個(gè)進(jìn)程被阻塞時(shí)，它的所有子進(jìn)程會(huì)從等待隊(duì)列中取出一個(gè)子進(jìn)程（或者其它子進(jìn)程），并把它加到阻塞隊(duì)列中。當(dāng)所有子進(jìn)程都被阻塞時(shí)，阻塞隊(duì)列中就沒(méi)有子進(jìn)程了。這時(shí)，等待隊(duì)列中的其他子進(jìn)程就會(huì)把當(dāng)前線程加到等待隊(duì)列中。這三個(gè)進(jìn)程在等待過(guò)程中不會(huì)互相影響,三個(gè)線程可以通過(guò)設(shè)置自己的優(yōu)先級(jí)和其他線程進(jìn)行同步。

審核編輯：劉清