Linux中的進(jìn)程同步無競爭態(tài)讀寫解析

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。這種情況下，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(jī)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)運(yùn)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。
　　在Linux環(huán)境下，進(jìn)程通常存在運(yùn)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 有限長度緩沖區(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)寫人的，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)到同步運(yùn)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(qiáng)讀者同步（strong reader synchronization）”和“強(qiáng)寫者同步（strongwriter synchronization）”。在強(qiáng)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(qiáng)寫者同步中，寫者總是獲得優(yōu)先權(quán)，只要強(qiáng)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)程管理組件的參與，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)。