嵌入式Linux中的進(jìn)程同步無競爭態(tài)讀寫

在數(shù)據(jù)實時性、準(zhǔn)確度要求很高的情況下，系統(tǒng)在對數(shù)據(jù)的采集和處理過程中，由于其進(jìn)程協(xié)調(diào)性問題，往往會造成數(shù)據(jù)的丟失。利用經(jīng)典進(jìn)程同步模型，可解決嵌入式Linux系統(tǒng)中數(shù)據(jù)同步讀寫沖突的問題。關(guān)鍵詞 嵌入式 Linux進(jìn)程同步 無競爭態(tài)讀寫引 言 在對實時采集更新的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，往往會遇到數(shù)據(jù)更新速度與數(shù)據(jù)處理的速度...

　　摘要 Linux作為一個開源、穩(wěn)健的操作系統(tǒng)，支持多種平臺，擁有豐富的開發(fā)工具和應(yīng)用軟件，尤其其內(nèi)核可裁減的特性，非常適合嵌入式系統(tǒng)。在數(shù)據(jù)實時性、準(zhǔn)確度要求很高的情況下，系統(tǒng)在對數(shù)據(jù)的采集和處理過程中，由于其進(jìn)程協(xié)調(diào)性問題，往往會造成數(shù)據(jù)的丟失。利用經(jīng)典進(jìn)程同步模型，可解決嵌入式Linux系統(tǒng)中數(shù)據(jù)同步讀寫沖突的問題。

　　關(guān)鍵詞 嵌入式 Linux進(jìn)程同步 無競爭態(tài)讀寫

　　引 言

　　在對實時采集更新的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時，往往會遇到數(shù)據(jù)更新速度與數(shù)據(jù)處理的速度不匹配的問題。種情況下，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失而導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理結(jié)果不準(zhǔn)確，甚至?xí)聿豢深A(yù)測的后果，因此需要一種機制來協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)更新與數(shù)據(jù)處理，從而保證數(shù)據(jù)的完整性和處理結(jié)果的準(zhǔn)確性。作為一個多任務(wù)、多

? 用戶操作系統(tǒng)，Linux支持多個進(jìn)程在系統(tǒng)中并發(fā)隕行，由于進(jìn)程本身的動態(tài)特性，用來描述實時數(shù)據(jù)處理非常合適，因此，解決好Linux進(jìn)程間的同步與通信問題就能解決實時數(shù)據(jù)處理的問題。

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　　在Linux環(huán)境下，進(jìn)程通常存在隕行(running)、阻塞(blocked)、就緒(ready)、終止(terminated)四種狀態(tài)。當(dāng)多個進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行時，往往會出現(xiàn)進(jìn)程間的競態(tài)。我們希望進(jìn)程能協(xié)調(diào)彼此間的行為，使得一個進(jìn)程只有在其他的進(jìn)程執(zhí)行到一個特定的點時才會執(zhí)行一個動作，即控制同步；同時，當(dāng)并發(fā)進(jìn)程訪問共享數(shù)據(jù)時不應(yīng)當(dāng)出現(xiàn)競爭條件。這一點通過在訪問共享數(shù)據(jù)時執(zhí)行互斥來確保，即數(shù)據(jù)訪問同步。

　　實現(xiàn)同步的基本技術(shù)是阻塞一個進(jìn)程，直到一個特定條件滿足為止；實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問同步是通過阻塞一個進(jìn)程直到另外的進(jìn)程完成訪問共享數(shù)據(jù)。

　　1 有限度緩沖區(qū)的生產(chǎn)者一消費者問題模型

　　當(dāng)僅存在單個生產(chǎn)者和消費者時，生產(chǎn)進(jìn)程和消費進(jìn)程所對應(yīng)的是同樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們共享同一個數(shù)據(jù)空間。生產(chǎn)進(jìn)程和消費進(jìn)程如何進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，使得消費進(jìn)程每次使用的數(shù)據(jù)都是生產(chǎn)進(jìn)程新生產(chǎn)寫的，又使生產(chǎn)進(jìn)程新寫入的數(shù)據(jù)不會覆蓋還未被消費進(jìn)程讀出使用的數(shù)據(jù)，是該問題模型實現(xiàn)的關(guān)鍵問題。

　　在生產(chǎn)者一消費者問題模型中，生產(chǎn)者進(jìn)程不斷生產(chǎn)產(chǎn)品并把它們放入緩沖區(qū)，消費者進(jìn)程不斷從緩沖區(qū)中取走產(chǎn)品進(jìn)行消費。當(dāng)緩沖區(qū)中產(chǎn)品已經(jīng)放滿時，表示生產(chǎn)速度高于消費速度，出現(xiàn)了供過于求，此時生產(chǎn)者必須等待產(chǎn)品被消費；當(dāng)緩沖區(qū)為空時，表示消費速度高于生產(chǎn)速度，出現(xiàn)了供不應(yīng)求，此時消費者進(jìn)程必須等待產(chǎn)品的生產(chǎn)。生產(chǎn)和消費的進(jìn)程必須達(dá)到同步隕行，才能實現(xiàn)供需平衡。

　　處理讀寫同步的兩種常見的策略被稱為"強讀者同步(strong reader synchronization)"和"強寫者同步(strongwriter synchronization)"。在強讀者同步中，總是給讀者以優(yōu)先權(quán)，只要寫者當(dāng)前沒有進(jìn)行寫操作，讀者就可以獲得訪問權(quán)；在強寫者同步中，寫者總是獲得優(yōu)先權(quán)，只要強讀者當(dāng)前沒有進(jìn)行讀操作，寫者就可以獲得訪問權(quán)。而生產(chǎn)者消費者同步與單純的讀寫同步又有不同，消費者可以通過訪問資源對資源進(jìn)行刪除或銷毀。

　　一個有限長度緩沖區(qū)的生產(chǎn)者消費者問題模型，是由若干生產(chǎn)者和消費者進(jìn)程以及一個有限的緩沖池構(gòu)成的。每個緩沖區(qū)能夠存儲一個信息記錄，一個生產(chǎn)者一次生產(chǎn)一個信息記錄。產(chǎn)生一個記錄之后，等待單獨進(jìn)入一個空的緩沖區(qū)后將記錄寫入緩沖區(qū)。一個消費者進(jìn)程一次消費一個信息記錄。當(dāng)它需要消費時，它等待單獨進(jìn)入一個滿的緩沖區(qū)后將記錄讀出。

　　通過上面的描述可以得出，解決生產(chǎn)者一消費者問題模型的方案需要滿足以下幾個條件：

　　◇生產(chǎn)者不應(yīng)覆蓋一個滿的緩沖區(qū)；

　　◇消費者不應(yīng)使用一個空的緩沖區(qū)；

　　◇生產(chǎn)者和消費者應(yīng)按互斥方式訪問數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；

　　◇數(shù)據(jù)必須按照先進(jìn)先出(FIFO)方式；

　　◇不能出現(xiàn)忙等待。

　　必須避免數(shù)據(jù)寫進(jìn)程不斷、反復(fù)地檢查緩沖區(qū)直到找到一個空緩沖區(qū)為止，而讀進(jìn)程也必須避免不斷檢查直到找到一個滿緩沖區(qū)為止。這相當(dāng)于系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生忙等待，是在僅使用臨界段(CS)算法實現(xiàn)進(jìn)程同步時難以避免的問題。

　　針對問題模型解決方案的限制條件，采用信號量方式解決實時更新數(shù)據(jù)處理的進(jìn)程同步問題，即上述的生產(chǎn)者一消費者問題模型。

　　信號量是一個非負(fù)值的共享整數(shù)值，只能用于初始化和不可分操作。不可分操作是指在對一個數(shù)據(jù)D進(jìn)行操作時不能與任何其他對D的操作重疊的操作。定義操作P和V為不可分操作。P和V的不可分性意味著這些操作不能并發(fā)執(zhí)行，避免了對信號量的競爭條件。定義P和V的操作語義為：

?

　　由上述定義的語義看，對一個信號量S的操作，P和V為改變S的值，或者掛起或喚醒一個對S進(jìn)行P操作的進(jìn)程。被掛起的進(jìn)程為阻塞狀態(tài)，因而避免了忙等待問題。一個二進(jìn)制的信號量只取0和1，用來實現(xiàn)互斥。

　　在P和V操作中，對進(jìn)程的阻塞和喚醒需要操作系統(tǒng)的進(jìn)程管理組件的與，因此信號量會被操作系統(tǒng)實現(xiàn)而不是應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)。

　　生產(chǎn)者一消費者問題模型描述：

　　2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　對于有限緩沖區(qū)的生產(chǎn)者消費者問題模型的執(zhí)行包括以下部件：共享數(shù)據(jù)一緩沖區(qū)組、操作一緩沖區(qū)的訪問、進(jìn)程一生產(chǎn)者消費者。

　　在生產(chǎn)者一消費者同步中，由生產(chǎn)者創(chuàng)建資源，與單純的讀程序不同，消費者可以通過訪問資源，將資源刪除或銷毀。由于生產(chǎn)者進(jìn)程和消費者進(jìn)程共享一個緩沖區(qū)，因此在插入和刪除條目時必須同步。實現(xiàn)中必須避免表l所列的同步異常問題。