淺談Linux kernel中的同步機制

前言

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

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

當一個線程進入到內(nèi)核態(tài)后，就可以直接跟內(nèi)核溝通了， kernel中有兩個線程是這樣的：一個是線程A，它進入內(nèi)核態(tài)后，會直接跟內(nèi)核溝通，告訴它我要去干啥了，等我干完了就會通知你。（這個操作我們叫它 semi）當一個線程進入到內(nèi)核態(tài)后，會先去跟內(nèi)核溝通一次，然后就可以直接去執(zhí)行了。

kernel中的同步機制，本質上就是線程間的通信機制，它們之間的通信就是通過同步機制來實現(xiàn)的。

一、進程間的通信

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

在內(nèi)核中，對阻塞隊列進行了抽象，即當某個進程發(fā)出了一個消息后，它就被阻塞了。因此，阻塞隊列實際上是一種同步機制。阻塞隊列通過一個特定的函數(shù)來創(chuàng)建一個新的對象，該對象包含一個等待隊列指針（Push/Pop）。當?shù)却犃袧M了之后，系統(tǒng)將把該等待隊列指針指向的對象作為第一個發(fā)出通知的進程的線程。也就是說，該進程會收到通知后才能繼續(xù)執(zhí)行它的任務。

二、信號量

信號量可以用來發(fā)送或接收消息。當一個進程擁有了一個信號量，就意味著他已經(jīng)擁有了一個屬于自己的信號量，這個信號量是他自己的一個私有變量。這個私有變量是不能被其它進程拿到的。信號量用來表示一個進程所擁有的信號量數(shù)量，當這個進程擁有了這個信號量之后，就可以向其它進程發(fā)送消息。這個私有變量只允許這個進程自己使用，不可以把它拿到其它進程的進程中去。

當一個線程擁有了自己的信號量之后，就可以通過共享變量來與其它線程進行通信了。共享變量也是在其它線程中進行使用的，其它線程使用共享變量來和自己進行通信。

三、互斥量

互斥量主要是針對系統(tǒng)資源來說的。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。

共享資源就是進程之間共享的，比如一個進程有多個線程，那么每個線程都可以訪問這個共享的內(nèi)存空間。全局互斥資源就是進程和線程之間只能訪問到自己所在的全局內(nèi)存空間。在一個系統(tǒng)中，可以使用互斥量來實現(xiàn)多個進程同時在內(nèi)存中執(zhí)行。但是如果要實現(xiàn)多個進程同時執(zhí)行，就需要使用同步機制，這樣才能保證所有的進程都能夠在同一個內(nèi)存中運行。使用互斥量，一個進程只能訪問到自己所在的全局內(nèi)存空間，而無法訪問其它內(nèi)存空間。但是互斥量有一個很大的好處，那就是不會出現(xiàn)進程阻塞等情況。

四、消息隊列

消息隊列的出現(xiàn)，對進程間通信進行了很大的擴展。在 kernel中，除了同步機制外，還有另外一種異步機制，那就是消息隊列。我們都知道， Linux內(nèi)核是支持消息隊列的。雖然在內(nèi)核中也有關于消息隊列的詳細信息，但是由于內(nèi)核是不支持用戶態(tài)的消息隊列的，所以我們還是要從應用層入手來了解一下消息隊列。

首先我們先了解一下消息隊列是什么？

消息隊列是一種特殊的隊列，它能夠滿足多個應用線程之間的同步需要。消息隊列用于提供應用程序與其他進程或線程之間的異步通信。如果我們需要進行異步通信，那么就可以通過使用消息隊列來進行。比如當我們調用 clear （）函數(shù)時，我們就可以直接使用一個已注冊的消息隊列。

那么如何創(chuàng)建一個消息隊列呢？當我們使用ext2. json時，可以在 JAR. json. clear （）中使用 semaphore命令創(chuàng)建一個消息隊列。

五、共享內(nèi)存

在共享內(nèi)存中，我們使用的是共享鎖，但因為共享鎖是與某個進程共享內(nèi)存，所以當你想要獲取共享鎖的時候，你需要向其他進程請求。

就像在上面的例子中，我們通過 volatile關鍵字來訪問共享內(nèi)存。此時你并沒有向其他進程請求，所以當你想要獲取這個共享鎖時，只需要向其他進程請求。這樣就避免了兩個進程之間的互相競爭，同時還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步。

由于共享鎖是與某個進程共享內(nèi)存，所以你必須向該進程請求訪問它的地址。對于這種情況來說，最簡單的解決方案就是使用線程池。

在線程池中有一個叫做“byte”的對象，它也是一個共享鎖。當你想要獲取這個鎖時，只需要向 byte對象發(fā)送請求就可以了。這時候 byte對象會將你的請求發(fā)送到該線程的隊列中，當該線程收到請求時，它就會給你返回一個響應消息。

六、線程池

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

線程池的使用非常簡單，就是把要執(zhí)行的任務分配到相應的線程池中。當要執(zhí)行的任務分配到相應線程池后，就可以執(zhí)行了。使用線程池會給我們帶來很多好處：

可以更快地完成任務。當一個任務被分配到了線程池中，就會被循環(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。當一個任務需要很多資源時，例如 CPU、內(nèi)存等，我們就可以使用線程池來管理這些資源，使每個線程都有足夠的 CPU和內(nèi)存來執(zhí)行這個任務。

七、內(nèi)核態(tài)的同步機制

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

信號量：它是用來操作鎖的，當一個線程占用了一個鎖時，它會向系統(tǒng)發(fā)送一個信號量。

信號量傳遞：這個機制是由操作系統(tǒng)提供的，在調用sys_thread函數(shù)后，會進入中斷狀態(tài)，此時調用sys_thread函數(shù)時，就會將信號量傳遞給系統(tǒng)。

互斥鎖：這種方式主要是通過優(yōu)先級的高低來控制對資源的訪問。

互斥鎖和信號量都是用來解決進程之間的同步問題的。

還有一種同步方式是通過線程池來實現(xiàn)的。在這個過程中，線程池會創(chuàng)建一個線程，通過這個線程來跟其他線程進行交互，從而達到同步效果。

八、總結

通過上面的分析我們了解到，同步是一個復雜的問題，在內(nèi)核態(tài)是如何完成同步的呢？

首先，在內(nèi)核態(tài)有三個進程：這三個進程都可以互相訪問對方的資源，也可以在資源被其他進程請求時進行同步。

當某個進程被阻塞時，它的所有子進程會從等待隊列中取出一個子進程（或者其它子進程），并把它加到阻塞隊列中。當所有子進程都被阻塞時，阻塞隊列中就沒有子進程了。這時，等待隊列中的其他子進程就會把當前線程加到等待隊列中。這三個進程在等待過程中不會互相影響,三個線程可以通過設置自己的優(yōu)先級和其他線程進行同步。

審核編輯：湯梓紅