linux內(nèi)核機(jī)制有哪些

　　Linux內(nèi)核主要由5個(gè)模塊構(gòu)成，分別是：進(jìn)程調(diào)度模塊、內(nèi)存管理模塊、虛擬文件系統(tǒng)模塊、進(jìn)程間通信模塊。

　　Linux經(jīng)常使用散列表來實(shí)現(xiàn)高速緩存，高速緩存是需要快速訪問的信息。

　　Linux為什么需要同步機(jī)制？

　　在操作系統(tǒng)引入了進(jìn)程概念，進(jìn)程成為調(diào)度實(shí)體后，系統(tǒng)就具備了并發(fā)執(zhí)行多個(gè)進(jìn)程的能力，但也導(dǎo)致了系統(tǒng)中各個(gè)進(jìn)程之間的資源競爭和共享。另外，由于中斷、異常機(jī)制的引入，以及內(nèi)核態(tài)搶占都導(dǎo)致了這些內(nèi)核執(zhí)行路徑（進(jìn)程）以交錯(cuò)的方式運(yùn)行。對于這些交錯(cuò)路徑執(zhí)行的內(nèi)核路徑，如不采取必要的同步措施，將會(huì)對一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行交錯(cuò)訪問和修改，從而導(dǎo)致這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)的不一致，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。因此，為了確保系統(tǒng)高效穩(wěn)定有序地運(yùn)行，linux必須要采用同步機(jī)制。

　　Linux內(nèi)核提供了哪些同步機(jī)制？

　　在學(xué)習(xí)linux內(nèi)核同步機(jī)制之前，先要了解以下預(yù)備知識(shí)：（臨界資源與并發(fā)源）

　　在linux系統(tǒng)中，我們把對共享的資源進(jìn)行訪問的代碼片段稱為臨界區(qū)。把導(dǎo)致出現(xiàn)多個(gè)進(jìn)程對同一共享資源進(jìn)行訪問的原因稱為并發(fā)源。

　　Linux系統(tǒng)下并發(fā)的主要來源有：

　　中斷處理：例如，當(dāng)進(jìn)程在訪問某個(gè)臨界資源的時(shí)候發(fā)生了中斷，隨后進(jìn)入中斷處理程序，如果在中斷處理程序中，也訪問了該臨界資源。雖然不是嚴(yán)格意義上的并發(fā)，但是也會(huì)造成了對該資源的競態(tài)。

　　內(nèi)核態(tài)搶占：例如，當(dāng)進(jìn)程在訪問某個(gè)臨界資源的時(shí)候發(fā)生內(nèi)核態(tài)搶占，隨后進(jìn)入了高優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程，如果該進(jìn)程也訪問了同一臨界資源，那么就會(huì)造成進(jìn)程與進(jìn)程之間的并發(fā)。

　　多處理器的并發(fā)：多處理器系統(tǒng)上的進(jìn)程與進(jìn)程之間是嚴(yán)格意義上的并發(fā)，每個(gè)處理器都可以獨(dú)自調(diào)度運(yùn)行一個(gè)進(jìn)程，在同一時(shí)刻有多個(gè)進(jìn)程在同時(shí)運(yùn)行 。

　　如前所述可知：采用同步機(jī)制的目的就是避免多個(gè)進(jìn)程并發(fā)并發(fā)訪問同一臨界資源。

　　Linux內(nèi)核中9種同步機(jī)制

　　1）每CPU變量

　　主要形式是數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的數(shù)組，系統(tǒng)中的每個(gè)CPU對應(yīng)數(shù)組的一個(gè)元素。

　　使用情況：數(shù)據(jù)應(yīng)在邏輯上是獨(dú)立的

　　使用原則：應(yīng)在內(nèi)核控制路徑禁用搶占的情況下訪問每CPU變量。

　　2）原子操作

　　原理：是借助于匯編語言指令中對“讀－－修改－－寫”具有原子性的匯編指令來實(shí)現(xiàn)。

　　3）內(nèi)存屏障

　　原理：使用內(nèi)存屏障原語確保在原語之后的操作開始之前，原語之前的操作已經(jīng)完成。

　　4）自旋鎖

　　主要用于多處理器環(huán)境中。

　　原理：如果一個(gè)內(nèi)核控制路徑發(fā)現(xiàn)所請求的自旋鎖已經(jīng)由運(yùn)行在另一個(gè)CPU上的內(nèi)核控制

　　路徑“鎖著”，就反復(fù)執(zhí)行一條循環(huán)指令，直到鎖被釋放。

　　說明：自旋鎖一般用于保護(hù)禁止內(nèi)核搶占的臨界區(qū)。

　　在單處理器上，自旋鎖的作用僅是禁止或啟用內(nèi)核搶占功能。

　　5）順序鎖：

　　順序鎖與自旋鎖非常相似，僅有一點(diǎn)不同，即順序鎖中的寫者比讀者有較高的優(yōu)先級(jí)，也就

　　意味著即使讀者正在讀的時(shí)候也允許寫者繼續(xù)運(yùn)行。

　?。叮㏑CU

　　主要用于保護(hù)被多個(gè)CPU讀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

　　允許多個(gè)讀者和寫者同時(shí)運(yùn)行，且RCU是不用鎖的。

　　使用限制：

　?。保㏑CU只保護(hù)被動(dòng)態(tài)分配并通過指針引用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　?。玻┰诒籖CU保護(hù)的臨界區(qū)中，任何內(nèi)核控制路徑都不能睡眠。

　　原理：

　　當(dāng)寫者要更新數(shù)據(jù)時(shí)，它通過引用指針來復(fù)制整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的副本，然后對這個(gè)副本進(jìn)行

　　修改。修改完畢后，寫者改變指向原數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針，使它指向被修改后的副本，（指針

　　的修改是原子的）。

　?。罚?a target="_blank">信號(hào)量：

　　原理： 當(dāng)內(nèi)核控制路徑試圖獲取內(nèi)核信號(hào)量所保護(hù)的忙資源時(shí)，相應(yīng)的進(jìn)程被掛起；只有在

　　資源被釋放時(shí)，進(jìn)程才再次變?yōu)榭蛇\(yùn)行。

　　使用限制：只有可以睡眠的函數(shù)才能獲取內(nèi)核信號(hào)量 ；

　　中斷處理程序和可延遲函數(shù)都不能使用內(nèi)核信號(hào)量。

　　8）本地中斷禁止

　　原理：本地中斷禁止可以保證即使硬件設(shè)備產(chǎn)生了一個(gè)IRQ信號(hào)時(shí)，內(nèi)核控制路徑也會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，

　　從而使中斷處理例程訪問的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)受到保護(hù)。

　　不足：禁止本地中斷并不能限制運(yùn)行在另一個(gè)CPU上的中斷處理程序?qū)蚕頂?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的并發(fā)訪問，

　　故在多處理器環(huán)境中，禁止本地中斷需要與自旋鎖一起使用。

　　9）本地軟中斷的禁止

　　方法1：

　　由于軟中斷是在硬件中斷處理程序結(jié)束時(shí)開始運(yùn)行的，所以最簡單的方式是禁止那個(gè)CPU上的中斷。

　　因?yàn)闆]有中斷處理例程被激活，故軟中斷就沒有機(jī)會(huì)運(yùn)行。

　　方法2：

　　通過操縱當(dāng)前thread_info描述符preempt_count字段中存放的軟中斷計(jì)數(shù)器，可以在本地CPU上激活

　　或禁止軟中斷。因?yàn)閮?nèi)核有時(shí)只需要禁止軟中斷而不禁止中斷。