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屏障在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中是一個(gè)非常重要的概念，尤其是在多核處理器時(shí)代。在Linux中，屏障被廣泛使用，在各種應(yīng)用程序，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同步機(jī)制等中都有廣泛的應(yīng)用。在這篇文章中，我們將探討Linux中屏障的實(shí)現(xiàn)原理和應(yīng)用。
什么是屏障？
屏障指的是一種同步機(jī)制，它可以使多個(gè)線程或多個(gè)CPU同時(shí)到達(dá)某一個(gè)位置，并且保證這些線程或CPU都已經(jīng)完成了之前的操作。在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中，屏障在多核處理器上非常常見(jiàn)，它可以保證多個(gè)線程或CPU按照某種特定的次序進(jìn)行操作，避免了數(shù)據(jù)的混亂和競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)的發(fā)生，從而提高了程序的執(zhí)行效率。
Linux中的屏障實(shí)現(xiàn)原理
在Linux中，屏障的實(shí)現(xiàn)有兩種方式：軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)編寫(xiě)特定的代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，而硬件實(shí)現(xiàn)是通過(guò)特定的CPU指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這里，我們主要討論軟件實(shí)現(xiàn)。
Linux中的屏障機(jī)制，主要是通過(guò)特定的內(nèi)核函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些內(nèi)核函數(shù)用于控制多核處理器的并發(fā)訪問(wèn)。其中，包括以下幾個(gè)主要的函數(shù)：
1. write_barrier()
這個(gè)函數(shù)可用來(lái)確保寫(xiě)操作的順序正確。例如，如果一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有多個(gè)字段，并且需要按照某種特定的順序進(jìn)行寫(xiě)入，那么這個(gè)函數(shù)就可以派上用場(chǎng)。這個(gè)函數(shù)會(huì)強(qiáng)制執(zhí)行一個(gè)存儲(chǔ)屏障指令，以確保寫(xiě)操作按照正確的順序執(zhí)行。
2. read_barrier()
這個(gè)函數(shù)用于確保讀操作的順序正確。例如，如果一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有多個(gè)字段，并且需要按照特定的順序進(jìn)行讀取，那么這個(gè)函數(shù)就可以派上用場(chǎng)。這個(gè)函數(shù)會(huì)強(qiáng)制執(zhí)行一個(gè)加載屏障指令，以確保讀操作按照正確的順序執(zhí)行。
3. p_mb()
這個(gè)函數(shù)用于在不同的CPU之間保持一致性。例如，如果一個(gè)CPU操作了一個(gè)共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且希望另一個(gè)CPU也能訪問(wèn)同樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，那么這個(gè)函數(shù)就可以派上用場(chǎng)。這個(gè)函數(shù)會(huì)強(qiáng)制執(zhí)行一個(gè)前綴屏障指令，以確保多個(gè)CPU上的操作順序正確，并且數(shù)據(jù)是同步的。
4. p_rmb(), p_wmb()
這兩個(gè)函數(shù)用于保證讀和寫(xiě)操作的順序正確。例如，如果一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行讀和寫(xiě)操作，那么這個(gè)函數(shù)就可以派上用場(chǎng)。這兩個(gè)函數(shù)都會(huì)強(qiáng)制執(zhí)行內(nèi)存屏障指令，以確保讀和寫(xiě)操作按照正確的順序執(zhí)行。
Linux中屏障的應(yīng)用
Linux中的屏障在各種應(yīng)用程序中都有廣泛的應(yīng)用。以下是一些常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景：
1. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
在Linux中，許多數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被廣泛使用。例如，鏈表、隊(duì)列、堆棧等等。這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)需要對(duì)多個(gè)CPU進(jìn)行訪問(wèn)，從而提高系統(tǒng)的并發(fā)性能。在這種情況下，屏障可以確保數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的正確性，并且避免了競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)的發(fā)生，提高了程序的執(zhí)行效率。
2. 同步機(jī)制
Linux中的屏障可以作為同步機(jī)制使用。例如，在多線程編程中，如果多個(gè)線程需要按照某種特定的次序進(jìn)行執(zhí)行，那么屏障就可以起到很好的作用。通過(guò)屏障，可以確保多個(gè)線程都已經(jīng)完成之前的操作，從而實(shí)現(xiàn)同步執(zhí)行。
3. 并發(fā)編程
在Linux中，屏障是一種非常重要的并發(fā)編程技術(shù)。通過(guò)屏障，可以避免競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)的發(fā)生，并且保證多個(gè)CPU或多個(gè)線程的正確性。在高并發(fā)環(huán)境中，屏障可以提高程序的執(zhí)行效率，并且避免了各種競(jìng)爭(zhēng)狀態(tài)導(dǎo)致的問(wèn)題。
在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中，屏障是一種重要的同步機(jī)制。在Linux中，屏障被廣泛應(yīng)用在各種應(yīng)用程序中，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、同步機(jī)制和并發(fā)編程等。通過(guò)屏障的使用，可以保證程序的正確性和高效性。在Linux中，屏障的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)軟件和硬件兩種方式實(shí)現(xiàn)。但是，由于硬件實(shí)現(xiàn)需要特定的CPU指令，因此它的可移植性比較差。相比之下，軟件實(shí)現(xiàn)更加通用和可移植。
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Linux內(nèi)核設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 十、內(nèi)核同步方法
手把手教Linux驅(qū)動(dòng)5-自旋鎖、信號(hào)量、互斥體概述
==
基礎(chǔ)概念：
==
并發(fā)
：多個(gè)執(zhí)行單元同時(shí)進(jìn)行或多個(gè)執(zhí)行單元微觀串行執(zhí)行，宏謹(jǐn)拿觀并行執(zhí)行
競(jìng)態(tài)
：并發(fā)的執(zhí)行單元對(duì)共享資源（硬件資源和軟件上的全局變量）的訪問(wèn)而導(dǎo)致的竟態(tài)狀態(tài)。
臨界資源
：多個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)的資源
臨界區(qū)
：多個(gè)進(jìn)程訪問(wèn)的代碼段
==
并發(fā)場(chǎng)合：
==
1、單CPU之間進(jìn)程間的并發(fā)
:時(shí)間片輪轉(zhuǎn)，調(diào)度進(jìn)程。 A進(jìn)程訪問(wèn)打印機(jī)，時(shí)間片用完，OS調(diào)度B進(jìn)程訪問(wèn)打印機(jī)。
2、單cpu上進(jìn)程和中斷之間并發(fā)
：CPU必須停止當(dāng)前進(jìn)程的執(zhí)行中斷;
3、多cpu之間
4、單CPU上中斷之間的并發(fā)
==
使用偏向：
==
==信號(hào)量用于進(jìn)程之間的同步，進(jìn)程在信號(hào)量保護(hù)的臨界區(qū)代碼里面是可以睡眠的（需要進(jìn)行進(jìn)程調(diào)度），這是與自旋鎖更大的區(qū)別。==
信號(hào)量又稱為信號(hào)燈，它是用來(lái)協(xié)調(diào)不同進(jìn)程間的數(shù)據(jù)對(duì)象的，而最主要的應(yīng)用是共享內(nèi)存方式的進(jìn)程間通信。本質(zhì)上，信號(hào)量是一個(gè)計(jì)數(shù)器，它用來(lái)記錄對(duì)某個(gè)資源（如共享內(nèi)存）的存取狀況。它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個(gè)進(jìn)程，以保證他們能夠正確、合理的使用公共資源。它和spin lock更大的不同之處就是：無(wú)法獲取信號(hào)量的進(jìn)程可以睡眠祥李搭，因此會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)調(diào)度。
1、==用于進(jìn)程與進(jìn)程之間的同步==
2、==允許多個(gè)進(jìn)程進(jìn)入臨界區(qū)代碼執(zhí)行，臨界區(qū)代碼允許睡眠；==
3、信號(hào)量本質(zhì)是==基于調(diào)度器的==，在UP和P下沒(méi)有區(qū)別；進(jìn)程獲取不到信號(hào)量將陷入休眠，并讓出CPU；
4、不支持進(jìn)程和中斷之間的同步
5、==進(jìn)程調(diào)度也是會(huì)消耗系統(tǒng)資源的，如果一個(gè)int型共享變量就需要使用信號(hào)量，將極大的浪費(fèi)系統(tǒng)資源==
6、信號(hào)量可以用于多個(gè)線程，用于資源的計(jì)數(shù)（有多種狀態(tài)）
==信號(hào)量加鎖以及解鎖過(guò)程：==
sema_init(&sp->dead_sem, 0); /
初始化
/
down(&sema);
臨界區(qū)代碼
up(&sema);
==信號(hào)量定義：==
==信號(hào)量初始化：==
==dowm函數(shù)實(shí)現(xiàn)擾高：==
==up函數(shù)實(shí)現(xiàn)：==
信號(hào)量一般可以用來(lái)標(biāo)記可用資源的個(gè)數(shù)。
舉2個(gè)生活中的例子：
==dowm函數(shù)實(shí)現(xiàn)原理解析：==
（1）down
判斷sem->count是否 > 0，大于0則說(shuō)明系統(tǒng)資源夠用，分配一個(gè)給該進(jìn)程，否則進(jìn)入__down(sem);
（2）__down
調(diào)用__down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);其中TASK_UNINTERRUPTIBLE=2代表進(jìn)入睡眠，且不可以打斷；MAX_SCHEDULE_TIMEOUT休眠最長(zhǎng)LONG_MAX時(shí)間；
（3）list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
把當(dāng)前進(jìn)程加入到sem->wait_list中；
（3）先解鎖后加鎖;
進(jìn)入__down_common前已經(jīng)加鎖了，先把解鎖，調(diào)用schedule_timeout(timeout)，當(dāng)waiter.up=1后跳出for循環(huán)；退出函數(shù)之前再加鎖；
Linux內(nèi)核ARM構(gòu)架中原子變量的底層實(shí)現(xiàn)研究
rk3288 原子操作和原子位操作
原子變量適用于只共享一個(gè)int型變量；
1、原子操作是指不被打斷的操作，即它是最小的執(zhí)行單位。
2、最簡(jiǎn)單的原子操作就是一條條的匯編指令(不包括一些偽指令，偽指令會(huì)被匯編器解釋成多條匯編指令)
==常見(jiàn)函數(shù)：==
==以atomic_inc為例介紹實(shí)現(xiàn)過(guò)程==
在Linux內(nèi)核文件archarmincludeaatomic.h中。 執(zhí)行atomic_read、atomic_set這些操作都只需要一條匯編指令，所以它們本身就是不可打斷的。 需要特別研究的是atomic_inc、atomic_dec這類讀出、修改、寫(xiě)回的函數(shù)。
所以atomic_add的原型是下面這個(gè)宏：
atomic_add等效于：
result（%0） tmp（%1） (v->counter)（%2） (&v->counter)（%3） i（%4）
注意：根據(jù)內(nèi)聯(lián)匯編的語(yǔ)法，result、tmp、&v->counter對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)都放在了寄存器中操作。如果出現(xiàn)上下文切換，切換機(jī)制會(huì)做寄存器上下文保護(hù)。
（1）ldrex %0,
意思是將&v->counter指向的數(shù)據(jù)放入result中，并且（分別在Local monitor和Global monitor中）設(shè)置獨(dú)占標(biāo)志。
（2）add %0, %0, %4
result = result + i
（3）strex %1, %0,
意思是將result保存到&v->counter指向的內(nèi)存中，
此時(shí) Exclusive monitors會(huì)發(fā)揮作用，將保存是否成功的標(biāo)志放入tmp中。
（4） teq %1, #0
測(cè)試strex是否成功（tmp == 0 ？？）
（5）bne 1b
如果發(fā)現(xiàn)strex失敗，從（1）再次執(zhí)行。
Spinlock 是內(nèi)核中提供的一種比較常見(jiàn)的鎖機(jī)制，==自旋鎖是“原地等待”的方式解決資源沖突的==，即，一個(gè)線程獲取了一個(gè)自旋鎖后，另外一個(gè)線程期望獲取該自旋鎖，獲取不到，只能夠原地“打轉(zhuǎn)”（忙等待）。由于自旋鎖的這個(gè)忙等待的特性，注定了它使用場(chǎng)景上的限制 —— 自旋鎖不應(yīng)該被長(zhǎng)時(shí)間的持有（消耗 CPU 資源），一般應(yīng)用在==中斷上下文==。
1、spinlock是一種死等機(jī)制
2、信號(hào)量可以允許多個(gè)執(zhí)行單元進(jìn)入，spinlock不行，一次只能允許一個(gè)執(zhí)行單元獲取鎖，并且進(jìn)入臨界區(qū)，其他執(zhí)行單元都是在門(mén)口不斷的死等
3、由于不休眠，因此spinlock可以應(yīng)用在中斷上下文中；
4、由于spinlock死等的特性，因此臨界區(qū)執(zhí)行代碼盡可能的短；
==spinlock加鎖以及解鎖過(guò)程：==
spin_lock(&devices_lock);
臨界區(qū)代碼
spin_unlock(&devices_lock);
==spinlock初始化==
==進(jìn)程和進(jìn)程之間同步==
==本地軟中斷之間同步==
==本地硬中斷之間同步==
==本地硬中斷之間同步并且保存本地中斷狀態(tài)==
==嘗試獲取鎖==
==
arch_spinlock_t結(jié)構(gòu)體定義如下：
==
==
arch_spin_lock的實(shí)現(xiàn)如下：
==
lockval（%0） newval（%1） tmp（%2） &lock->slock（%3） 1 slock的值賦值給lockval；并且（分別在Local monitor和Global monitor中）設(shè)置獨(dú)占標(biāo)志。
（2）add %1, %0, %4
newval =lockval +（1slock指向的內(nèi)存中，
此時(shí) Exclusive monitors會(huì)發(fā)揮作用，將保存是否成功的標(biāo)志放入tmp中。
（4） teq %2, #0
測(cè)試strex是否成功
（5）bne 1b
如果發(fā)現(xiàn)strex失敗，從（1）再次執(zhí)行。
通過(guò)上面的分析，可知關(guān)鍵在于strex的操作是否成功的判斷上。而這個(gè)就歸功于ARM的Exclusive monitors和ldrex/strex指令的機(jī)制。
（6）while (lockval.tickets.next != lockval.tickets.owner)
如何lockval.tickets的next和owner是否相等。相同則跳出while循環(huán)，否則在循環(huán)內(nèi)等待判斷；
*
（7）wfe()和p_mb() 最終調(diào)用#define barrier()
a
volatile
(“”: : :”memory”) *
阻止編譯器重排，保證編譯程序時(shí)在優(yōu)化屏障之前的指令不會(huì)在優(yōu)化屏障之后執(zhí)行。
==
arch_spin_unlock的實(shí)現(xiàn)如下：
==
退出鎖時(shí)：tickets.owner++
==
出現(xiàn)死鎖的情況：
==
1、擁有自旋鎖的進(jìn)程A在內(nèi)核態(tài)阻塞了，內(nèi)核調(diào)度B進(jìn)程，碰巧B進(jìn)程也要獲得自旋鎖，此時(shí)B只能自旋轉(zhuǎn)。 而此時(shí)搶占已經(jīng)關(guān)閉，（單核）不會(huì)調(diào)度A進(jìn)程了，B永遠(yuǎn)自旋，產(chǎn)生死鎖。
2、進(jìn)程A擁有自旋鎖，中斷到來(lái)，CPU執(zhí)行中斷函數(shù)，中斷處理函數(shù)，中斷處理函數(shù)需要獲得自旋鎖，訪問(wèn)共享資源，此時(shí)無(wú)法獲得鎖，只能自旋，產(chǎn)生死鎖。
==
如何避免死鎖：
==
1、如果中斷處理函數(shù)中也要獲得自旋鎖，那么驅(qū)動(dòng)程序需要在擁有自旋鎖時(shí)禁止中斷；
2、自旋鎖必須在可能的最短時(shí)間內(nèi)擁有
3、避免某個(gè)獲得鎖的函數(shù)調(diào)用其他同樣試圖獲取這個(gè)鎖的函數(shù)，否則代碼就會(huì)死鎖；不論是信號(hào)量還是自旋鎖，都不允許鎖擁有者第二次獲得這個(gè)鎖，如果試圖這么做，系統(tǒng)將掛起；
4、鎖的順序規(guī)則（a) 按同樣的順序獲得鎖；b) 如果必須獲得一個(gè)局部鎖和一個(gè)屬于內(nèi)核更中心位置的鎖，則應(yīng)該首先獲取自己的局部鎖 ;c) 如果我們擁有信號(hào)量和自旋鎖的組合，則必須首先獲得信號(hào)量；在擁有自旋鎖時(shí)調(diào)用down(可導(dǎo)致休眠)是個(gè)嚴(yán)重的錯(cuò)誤的；）
==
rw（read/write）spinlock：
==
加鎖邏輯：
1、假設(shè)臨界區(qū)內(nèi)沒(méi)有任何的thread，這個(gè)時(shí)候任何的讀線程和寫(xiě)線程都可以鍵入
2、假設(shè)臨界區(qū)內(nèi)有一個(gè)讀線程，這時(shí)候信賴的read線程可以任意進(jìn)入，但是寫(xiě)線程不能進(jìn)入；
3、假設(shè)臨界區(qū)有一個(gè)寫(xiě)線程，這時(shí)候任何的讀、寫(xiě)線程都不可以進(jìn)入；
4、假設(shè)臨界區(qū)內(nèi)有一個(gè)或者多個(gè)讀線程，寫(xiě)線程不可以進(jìn)入臨界區(qū)，但是寫(xiě)線程也無(wú)法阻止后續(xù)的讀線程繼續(xù)進(jìn)去，要等到臨界區(qū)所有的讀線程都結(jié)束了，才可以進(jìn)入，可見(jiàn)：==rw（read/write）spinlock更加有利于讀線程；==
==
seqlock（順序鎖）：
==
加鎖邏輯：
1、假設(shè)臨界區(qū)內(nèi)沒(méi)有任何的thread，這個(gè)時(shí)候任何的讀線程和寫(xiě)線程都可以鍵入
2、假設(shè)臨界區(qū)內(nèi)沒(méi)有寫(xiě)線程的情況下，read線程可以任意進(jìn)入；
3、假設(shè)臨界區(qū)有一個(gè)寫(xiě)線程，這時(shí)候任何的讀、寫(xiě)線程都不可以進(jìn)入；
4、假設(shè)臨界區(qū)內(nèi)只有read線程的情況下，寫(xiě)線程可以理解執(zhí)行，不會(huì)等待，可見(jiàn)：==seqlock（順序鎖）更加有利于寫(xiě)線程；==
讀寫(xiě)速度
：
CPU > 一級(jí)緩存 > 二級(jí)緩存 > 內(nèi)存
，因此某一個(gè)CPU0的lock修改了，其他的CPU的lock就會(huì)失效；那么其他CPU就會(huì)依次去L1 L2和主存中讀取lock值，一旦其他CPU去讀取了主存，就存在系統(tǒng)性能降低的風(fēng)險(xiǎn)；
mutex用于互斥操作。
互斥體只能用于一個(gè)線程，資源只有兩種狀態(tài)（占用或者空閑）
1、mutex的語(yǔ)義相對(duì)于信號(hào)量要簡(jiǎn)單輕便一些，在鎖爭(zhēng)用激烈的測(cè)試場(chǎng)景下，mutex比信號(hào)量執(zhí)行速度更快，可擴(kuò)展
性更好，
2、另外mutex數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義比信號(hào)量小;、
3、同一時(shí)刻只有一個(gè)線程可以持有mutex
4、不允許遞歸地加鎖和解鎖
5、當(dāng)進(jìn)程持有mutex時(shí)，進(jìn)程不可以退出。
? mutex必須使用官方API來(lái)初始化。
? mutex可以睡眠，所以不允許在中斷處理程序或者中斷下半部中使用，例如tasklet、定時(shí)器等
==常見(jiàn)操作：==
struct mutex mutex_1;
mutex_init(&mutex_1);
mutex_lock(&mutex_1)
臨界區(qū)代碼；
mutex_unlock(&mutex_1)
==常見(jiàn)函數(shù)：==
=
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本文標(biāo)題：Linux中的屏障實(shí)現(xiàn)原理及應(yīng)用解析(linux屏障)
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