了解Linux的鎖與同步、原子加(atomic_add)

因為需要效率更高的互斥，linux中的atomic_add()可以實現這個需求。沒有接觸過內核，現在貼一些相關內容，有空看下。

了解Linux的鎖與同步

上周看了Linux的進程與線程，對操作系統的底層有了更進一步的一些了解。我同時用Linux內核設計與實現和Solaris內核結構兩本書對比著看，這樣更容易產生對比和引發思考。現代操作系統很多思路都是相同的，比如搶占式的多線程及內核、虛擬內存管理等方面。但另外一方面還是有很多差異。在了解鎖和同步之前，原子操作是所有一切底層實現的基礎。

原子操作Atomic

通常操作系統和硬件都提供特性，可以對一個字節進行原子操作的的讀寫，并且通常在此基礎上來實現更高級的鎖特性。

atomic_t結構

原子操作通常針對int或bit類型的數據，但是Linux并不能直接對int進行原子操作，而只能通過atomic_t的數據結構來進行。目前了解到的原因有兩個。

一是在老的Linux版本，atomic_t實際只有24位長，低8位用來做鎖，如下圖所示。這是由于Linux是一個跨平臺的實現，可以運行在多種 CPU上，有些類型的CPU比如SPARC并沒有原生的atomic指令支持，所以只能在32位int使用8位來做同步鎖，避免多個線程同時訪問。(最新版SPARC實現已經突破此限制)

另外一個原因是避免atomic_t傳遞到程序其他地方進行操作修改等。強制使用atomic_t，則避免被不恰當的誤用。

atomic_t my_counter = ATOMIC_INIT(0);

val = atomic_read( &my_counter );

atomic_add( 1, &my_counter );

atomic_inc( &my_counter );

atomic_sub( 1, &my_counter );

atomic_dec( &my_counter );

原子操作硬件上的實現

Solaris的實現是基于test-and-set的指令，并且該指令為原子操作。比如Solaris的實現在SPARC上是基于ldstub和cas指令，在x86上用的是cmpxchg指令。但是Linux似乎直接用的add指令。

OpenSolaris i386的實現

movl 4(%esp), %edx / %edx = target address

movl (%edx), %eax / %eax = old value1: leal 1(%eax), %ecx /

%ecx = new value lock cmpxchgl %ecx, (%edx) / try to stick it in jne 1b movl %ecx, %eax /

return new value ret

在Linux源代碼asm_i386/atomic.h中

/** * atomic_add - add integer to atomic variable

*@i: integer value to add

*@v: pointer of type atomic_t

*Atomically adds @i to @v.

Note that the guaranteed useful range * of an atomic_t is only 24 bits.

*/

static __inline__ void atomic_add(int i, atomic_t *v){

__asm__ __volatile__( LOCK "addl %1,%0" :"=m" (v->counter) :"ir" (i), "m" (v->counter));}

鎖的類型

Spinlocks自旋鎖

如果鎖被占用，嘗試獲取鎖的線程進入busy-wait狀態，即CPU不停的循環檢查鎖是否可用。自旋鎖適合占用鎖非常短的場合，避免等待鎖的線程sleep而帶來的CPU兩個context switch的開銷。

Semaphores信號量

如果鎖被占用，嘗試獲取鎖的線程進入sleep狀態，CPU切換到別的線程。當鎖釋放之后，系統會自動喚醒sleep的線程。信號量適合對鎖占用較長時間的場合。

Adaptive locks自適應鎖

顧名思義，自適應鎖就是上面兩種的結合。當線程嘗試申請鎖，會自動根據擁有鎖的線程繁忙或sleep來選擇是busy wait還是sleep。這種鎖只有Solaris內核提供，Linux上未見有相關描述。

幾種鎖的性能比較(Windows操作系統下，第一種類似atomic_inc, 2,3類似spinlock, 4,5類似semaphore)

(圖片來源：Intel Software Network)

Solaris

感覺OpenSolaris在很多地方要比Linux優秀，Solaris在理論設計和實踐上都非常優雅，而Linux內核很多地方似乎更偏工程實踐方向一些。另外Solaris用來做學習操作系統更合適，它的mdb幾乎無所不能。

我在VirtualBox虛擬機上安裝了OpenSolaris，非常容易安裝，使用這個Minimal OpenSolaris Appliance OVF image for VirtualBox 2.2?簡易方法，安裝一個沒有gui的版本，大約3分鐘以內就可以裝好。OpenSolaris安裝軟件和Ubuntu一樣方便，使用 pkg install SUNWxxx 的命令，比如 pkg install SUNWcurl

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自旋鎖的主要用途是用于一些不能休眠的情況，比如中斷上下文中。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的linux原子锁原理,了解Linux的锁与同步、原子加(atomic_add)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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