關于Linux kernel同步機制的這些知識點你不得不知道

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，另一種是內核的同步機制。

當一個線程進入到內核態(tài)后，就可以直接跟內核溝通了， kernel中有兩個線程是這樣的：一個是線程A，它進入內核態(tài)后，會直接跟內核溝通，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核態(tài)后，會先去跟內核溝通一次，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存空間，而無法訪問其它內存空間。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內核是支持消息隊列的。雖然在內核中也有關于消息隊列的詳細信息，但是由于內核是不支持用戶態(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、共享內存

在共享內存中，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和內存來執(zhí)行這個任務。

七、內核態(tài)的同步機制

上面介紹了兩種同步機制，那么我們來看看內核態(tài)的同步機制，在內核態(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，在內核態(tài)是如何完成同步的呢？

首先，在內核態(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：劉清