深入linux内核架构--第五章锁与进程间通信

内容简介：主要讲解了Linux各个独立进程间（或线程间）相互通信的机制（主要是System V机制），由于涉及到进程间资源共享，引入资源保护问题，也就是Linux的锁。

5.1 控制机制

首先通过一个竞态条件的例子引入需要对锁的需求，然后介绍了Linux系统锁控制机制：临界区。一种典型的使用临界区机制的锁方法：信号量。

5.2 内核锁机制

讲解了Linux内核态几种锁机制：

1. 原子操作：

atomic_t

2. 自旋锁：

spinlock_t

3. 信号量：

struct semaphore

4. 读写锁：

rwlock_t

API：write_lock、read_lock、read_trylock等；

5. RCU：read-copy-update。该机制记录了指向共享数据结构的指针的所有使用者。在数据将要改变时(写操作)，先创建一个副本，在副本中修改。在所有的读访问的使用者结束对旧副本的读取后，指针替换为指向新的、修改后副本的指针。

rcu_dereference、rcu_read_lock、rcu_read_unlock

6. 内存与优化屏障

主要是阻止编译器的指令重排吧。比如读屏障：保证屏障之后发出的任何读操作执行之前，屏障之前发出的所有读操作已经执行完成（就是说屏障之后读取的内容肯定是最新的）；

mb、rmb、wmb、smp_mb

barrier

7. 大内核锁：已废弃；

8. 互斥量

1) 经典互斥量：struct mutex

2) 实时信号量：struct rt_mutex，支持优先级反转；

9. 近似的per-CPU计数器

思想：计数器的准确值存储在内存中某处，准确值所在内存位置之后是一个数组，每个数组项对应于系统中的一个CPU。如果某个特定于CPU的数组元素修改后的绝对值超过某个阈值，内核确保通过适当的锁机制修改计数器的准确值。

1.3 System V进程间通信（用户态）

1. 信号量

相关操作：semget、semop、semctl

2. 共享内存

3. 消息队列

此部分内容讲解比较基础，具体的内容可以参阅《UNIX网络通信—进程间通信》。笔者通过以下例程简单介绍信号量的用法。

ipcd.c文件：

#include <stdio.h>
#include <getopt.h>
#include <pthread.h>
#include "../../../PUBILIC/include/basetype.h"
#include "ipc_sem.h"#define IPC_THREAD_NUM  10
#define IPC_MAX_ADD_NUM  10000BOOL_T g_bIsHaveLock = BOOL_FALSE;
UINT g_uiTestUint = 0;
pthread_t g_astThreadID[IPC_THREAD_NUM];ULONG ipc_ParseParam(INT argc, CHAR **argv)
{ULONG ulRet = ERROR_SUCCESS;INT iOption = 0;while (-1 != (iOption = getopt(argc, argv, "l:"))){switch (iOption){case 'l':{g_bIsHaveLock = BOOL_TRUE;break;}default:{ulRet = ERROR_FAILED;break;}}}return ulRet;
}VOID *ipc_thread_Func(VOID *pParam)
{UINT uiIndex;pthread_t stSelf;stSelf = pthread_self();if (BOOL_TRUE  == g_bIsHaveLock){IPC_Sem_Down();}for (uiIndex = 0; uiIndex < IPC_MAX_ADD_NUM; uiIndex++){g_uiTestUint++;}/* 加完之后再打印值 */printf("This is thread(%lu): UINT(%u)\n", stSelf, g_uiTestUint);if (BOOL_TRUE  == g_bIsHaveLock){IPC_Sem_Up();}return NULL;
}
ULONG ipc_Init()
{ULONG ulRet = ERROR_SUCCESS;UINT uiIndex;ulRet = IPC_Sem_Init();if (ERROR_SUCCESS != ulRet){return ulRet;}/* 创建10个线程同时对全局变量进行操作 */for (uiIndex = 0; uiIndex < IPC_THREAD_NUM; uiIndex++){pthread_create(&g_astThreadID[uiIndex], NULL, ipc_thread_Func, NULL);}return ulRet;
}VOID ipc_Fini()
{UINT uiIndex;for (uiIndex = 0; uiIndex < IPC_THREAD_NUM; uiIndex++){pthread_join(g_astThreadID[uiIndex], NULL);}IPC_Sem_Fini();return;
}INT main(INT argc, CHAR **argv)
{ULONG ulRet = ERROR_SUCCESS;/* 解析参数 */ulRet = ipc_ParseParam(argc, argv);if (ERROR_SUCCESS != ERROR_SUCCESS){return -1;}ulRet = ipc_Init();if (ERROR_SUCCESS != ulRet){ipc_Fini();}ipc_Fini();return 0;
}

ipc_sem.c文件：

#include <stdio.h>
#include <sys/sem.h>
#include "../../../PUBILIC/include/basetype.h"
#include "ipc_sem.h"struct sembuf g_stopDown[1] = {0, -1, 0};
struct sembuf g_stopUp[1] = {0, 1, 0};
INT g_iSemId = -1;ULONG IPC_Sem_Init()
{INT iSemId = -1;INT iRet;ULONG ulRet = ERROR_FAILED;/* 首先打开信号量 */iSemId = semget(IPC_SEM_LEY, 0, IPC_CREAT | 0666);if (iSemId < 0){/* 打开失败再创建 */printf("Sem(%ld) does not exist, then create it.\n", IPC_SEM_LEY);iSemId = semget(IPC_SEM_LEY, 1, IPC_CREAT | 0666);if (iSemId < 0){printf("Create sem(%ld) failed.", IPC_SEM_LEY);return ERROR_FAILED;}}/* 设置信号量值 */iRet = semctl(iSemId, 0, SETVAL, 1);if (iRet == 0){g_iSemId = iSemId;ulRet = ERROR_SUCCESS;}return ulRet;
}VOID IPC_Sem_Up()
{semop(g_iSemId, &g_stopUp[0], 1);return;
}
VOID IPC_Sem_Down()
{semop(g_iSemId, &g_stopDown[0], 1);return;
}VOID IPC_Sem_Fini()
{/* 删除信号量 */if (g_iSemId > 0){semctl(g_iSemId, 0, IPC_RMID);}return;
}

程序讲解：

1) Main函数进来先解析参数：是否有锁，解析参数用于设置全局变量g_bIsHaveLock；

2) ipc_Init()函数中的IPC_Sem_Init()函数打开或创建了一个信号量。之后创建了10个线程同时对全局变量IPC_Sem_Init进行10000次++操作，如果没有竞态条件发生，最后的结果应该是10 * 10000 = 100000；

3) 线程函数进去后先判断有没有锁：有锁则进行down操作，获取信号量，这样就不受其他线程干扰；没锁则直接进行变量++操作；

4) 通过以不同的命令行参数启动进程，可以看到有锁和没锁情况下全局变量的值。

程序效果：

1) 无锁启动

2) 有锁启动

补充说明：

1. 程序代码没贴全，如UINT、ULONG等类型申明都放在我的basetype.h头文件中，由于经常用到，所以用一个单独的头文件申明；

2. Ipc_sem.h头文件没有贴，也就是一些函数申明；

总之：

读者应该理解信号量的精髓和使用方法，而不是简单的“抄”代码。

1.4 其他IPC机制

1. 信号

2. 管道和套接字

说明：此部分内容介绍更加简洁，实际上内容很多，读者需要在学习或工作中慢慢体会。