【深入理解Linux锁机制】一、内核锁的由来

【深入理解Linux锁机制】一、内核锁的由来 #

img

在Linux设备驱动中，我们必须要解决的一个问题是：多个进程对共享资源的并发访问，并发的访问会导致竞态。

1、并发和竞态 #

并发（Concurrency）：指的是多个执行单元同时、并行的被执行。

竞态（RaceConditions）：并发执行的单元对共享资源的访问，容易导致竞态。

共享资源：硬件资源和软件上的全局变量、静态变量等。

解决竞态的途径是：保证对共享资源的互斥访问。

互斥访问：一个执行单元在访问共享资源的时候，其他执行单元被禁止访问。

临界区（Critical Sections）：访问共享资源的代码区域成为临界区。临界区需要以某种互斥机制加以保护。

常见的互斥机制包括：中断屏蔽，原子操作，自旋锁，信号量，互斥体等。

image-20230718074758776

 

2、竞态发生的场合 #

image-20230721075844712

2.1 多对称处理器（SMP）的多个CPU之间 #

多个CPU使用共同的系统总线，可以访问共同的外设和存储器。在SMP的情况下，多核（CPU0、CPU1）的竞态可能发生于：

  • CPU0的进程和CPU1的进程之间
  • CPU0的进程和CPU1的中断之间
  • CPU0的中断和CPU1的中断之间

 

2.2 单CPU内，该进程与抢占它的进程之间 #

在单CPU内，多个进程并发执行，当一个进程执行的时间片耗尽，也有可能被另一个高优先级进程打断，会发生竞态，即所谓的调度引发竞态。

 

2.3 中断（软中断、硬中断、Tasklet、底半部）与进程之间 #

当一个进程正在执行，一个外部/内部中断（软中断、硬中断、Tasklet等）将其打断，会导致竞态发生。

 

3、编译乱序和执行乱序 #

除了并发访问导致的竞态外，还需要了解编译器和处理器的一些特点所引发的一些问题。

3.1 编译乱序 #

现代的高性能编译器，为了提高Cache命中率以及CPU的Load/Store工作效率，会对目标代码进行乱序优化，减少逻辑上不必要的访存！

因此，在打开编译器优化后，生成的汇编码并没有严格按照代码的逻辑顺序执行，这是正常的。

为了解决编译乱序的问题，可以加入barrier()编译屏障。

顾名思义，编译屏障，也就是为了阻挡编译器的编译优化，加入barrier()编译屏障，即可保证正确的执行顺序。

编译屏障代码实现如下：

#define barrier() __asm__ __volatile__("": : :"memory")

这里详细解释一下barrier的汇编实现：

  • __asm__：向编译器说明在此插入汇编代码
  • __volatile__：用于告诉编译器，严禁将此处的汇编语句与其它的语句重组合优化。
  • ("": : :"memory")：一条汇编语句，第一个:前为汇编指令，这里是空操作；第二个:前表示输出操作数，为空；第三个冒号前为输入操作数，也是要修改的寄存器；最后memory表示该指令对内存进行访问，该指令确保了命令之前的内存操作需要完全执行，不被优化。

 

使用案例：

int main(int argc,char *argv[])
{
    int a = 0,b,c,d[4096],e;
    e = d[4095];
    barrier();
    b = a;
    c = a;
    return 0;
}

 

3.2 执行乱序 #

编译乱序是编译器的行为，而执行乱序就是处理器运行时的行为。

**高级的CPU往往会根据自身的缓存特性，将访存指令重新排序执行！**这样就导致了多个顺序的指令，后发的指令仍有可能先执行完毕。

这种执行乱序，在多个CPU之间，以及单个CPU内部，都是非常常见的。

 

3.2.1 多CPU之间 #

处理器为了解决多核之间执行乱序的问题，一个CPU的行为对另一个CPU可见的情况，ARM处理器引入了内存屏障指令：

  • DMB（数据内存屏障），保证在该指令前的所有指令，内存访问完成，再去访问该指令之后的访存动作
  • DSB（数据同步屏障），保证在该指令前的所有访存指令执行完毕（访存，缓存，跳转预测，TLB维护等）完成
  • ISB（指令同步屏障），Flush流水线，保证所有在ISB之后执行的指令都是从缓存或者内存中获得。

 

3.2.2 单CPU内部 #

在单CPU中，我们常遇到访问外设寄存器时，某些外设寄存器就对读写顺序有很高的要求，为了避免执行乱序的发生，这时候就需要CPU的一些内存屏障指令了。

CPU内部，为了解决这种问题，CPU提供了一些内存屏障指令：

可以参考Documentation/memory-devices.txt和Documentation/io_ordering.txt

  • 读写屏障：mb()
  • 读屏障：rmb()
  • 写屏障：wmb()
  • 寄存器读屏障__iormb()__
  • 寄存器写屏障__iowmb()__
#define writeb_relaxed(v,c)	__raw_writeb(v,c)
#define writew_relaxed(v,c)	__raw_writew((__force u16) cpu_to_le16(v),c)
#define writel_relaxed(v,c)	__raw_writel((__force u32) cpu_to_le32(v),c)

#define readb(c)		({ u8  __v = readb_relaxed(c); __iormb(); __v; })
#define readw(c)		({ u16 __v = readw_relaxed(c); __iormb(); __v; })
#define readl(c)		({ u32 __v = readl_relaxed(c); __iormb(); __v; })

#define writeb(v,c)		({ __iowmb(); writeb_relaxed(v,c); })
#define writew(v,c)		({ __iowmb(); writew_relaxed(v,c); })
#define writel(v,c)		({ __iowmb(); writel_relaxed(v,c); })

writel与writel_relaxed的区别就在于有无屏障。

 

4、总结 #

image-20230725073439417

由上文可知，发生竞态的场合，主要发生在

  1. 多对称处理器的多CPU之间
  2. 单CPU的进程调度、抢占引发的竞态
  3. 单CPU的中断与进程之间引发的竞态
  4. 高性能的编译器编译乱序问题
  5. 高性能的CPU带来的执行乱序问题

为了解决竞态的发生，CPU和ARM处理器提供的内存屏障指令等，同时也提供了中断屏蔽、原子操作、自旋锁、互斥锁、信号量等机制，下面我们来深入了解这些机制吧。

欢迎关注【嵌入式艺术】，董哥原创！
img
👁️Total Views | 👤Visitors