《內(nèi)核中同步》課件

《內(nèi)核中同步》ppt課件2023REPORTING同步的基本概念內(nèi)核中的同步機(jī)制同步機(jī)制的實(shí)現(xiàn)原理同步機(jī)制的使用場(chǎng)景和注意事項(xiàng)內(nèi)核中同步機(jī)制的性能比較和優(yōu)化建議目錄CATALOGUE2023PART01同步的基本概念2023REPORTING在并發(fā)環(huán)境中，由于多個(gè)進(jìn)程或線程可能同時(shí)訪問(wèn)共享資源，因此需要同步機(jī)制來(lái)避免沖突和數(shù)據(jù)不一致性問(wèn)題。同步通過(guò)協(xié)調(diào)進(jìn)程或線程的執(zhí)行順序和資源訪問(wèn)時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)，以確保系統(tǒng)的正確性和可靠性。同步是操作系統(tǒng)內(nèi)核中的一個(gè)重要概念，用于協(xié)調(diào)和管理多個(gè)進(jìn)程或線程之間的執(zhí)行順序和資源訪問(wèn)。什么是同步同步是保證并發(fā)程序正確性的關(guān)鍵機(jī)制之一。在多線程或多進(jìn)程環(huán)境中，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)耐酱胧?，可能?huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致、死鎖、競(jìng)態(tài)條件等問(wèn)題。通過(guò)同步機(jī)制，可以確保對(duì)共享資源的正確訪問(wèn)和避免沖突，從而保證程序的正確性和可靠性。同步的重要性互斥同步信號(hào)量同步條件變量同步讀寫(xiě)鎖同步同步的分類(lèi)01020304通過(guò)互斥方式實(shí)現(xiàn)資源訪問(wèn)的排他性，即同一時(shí)刻只允許一個(gè)進(jìn)程或線程訪問(wèn)共享資源。使用信號(hào)量作為同步工具，通過(guò)信號(hào)量的值來(lái)控制對(duì)共享資源的訪問(wèn)。允許線程之間進(jìn)行條件等待和通知，以協(xié)調(diào)線程之間的執(zhí)行順序。允許多個(gè)線程同時(shí)讀取共享資源，但在寫(xiě)入時(shí)則需要獨(dú)占式的訪問(wèn)權(quán)限。PART02內(nèi)核中的同步機(jī)制2023REPORTING010204信號(hào)量信號(hào)量是一種計(jì)數(shù)器，用于控制多個(gè)線程或進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問(wèn)。它提供了一種機(jī)制，使得線程或進(jìn)程在訪問(wèn)共享資源之前必須先獲取信號(hào)量。如果信號(hào)量的值為0，則線程或進(jìn)程必須等待，直到其他線程或進(jìn)程釋放信號(hào)量。信號(hào)量可以是有界的或無(wú)界的，具體取決于實(shí)現(xiàn)。03互斥鎖是一種同步機(jī)制，用于防止多個(gè)線程或進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)共享資源。當(dāng)一個(gè)線程或進(jìn)程獲得互斥鎖時(shí)，其他線程或進(jìn)程必須等待，直到該線程或進(jìn)程釋放互斥鎖?；コ怄i通常用于保護(hù)臨界區(qū)，確保同一時(shí)間只有一個(gè)線程或進(jìn)程可以執(zhí)行受保護(hù)的代碼段?；コ怄i條件變量是一種同步機(jī)制，允許線程或進(jìn)程等待某個(gè)條件成立。當(dāng)條件不滿足時(shí)，線程或進(jìn)程可以阻塞并等待其他線程或進(jìn)程更改條件。當(dāng)條件滿足時(shí)，等待的線程或進(jìn)程將被喚醒并繼續(xù)執(zhí)行。條件變量通常與互斥鎖一起使用，以確保在更改條件時(shí)不會(huì)發(fā)生競(jìng)態(tài)條件。01020304條件變量讀寫(xiě)鎖是一種同步機(jī)制，允許多個(gè)線程或進(jìn)程同時(shí)讀取共享資源，但在寫(xiě)入時(shí)則需要獨(dú)占式的訪問(wèn)。當(dāng)一個(gè)線程或進(jìn)程想要寫(xiě)入共享資源時(shí)，它必須獲得獨(dú)占式的訪問(wèn)權(quán)，此時(shí)其他讀取線程或進(jìn)程可以繼續(xù)讀取，但不能寫(xiě)入。讀寫(xiě)鎖可以提高并發(fā)性能，特別是在讀操作遠(yuǎn)多于寫(xiě)操作的情況下。讀寫(xiě)鎖PART03同步機(jī)制的實(shí)現(xiàn)原理2023REPORTING信號(hào)量是一個(gè)整數(shù)值，通常用于保護(hù)共享資源，確保在任何時(shí)刻只有一個(gè)線程可以訪問(wèn)共享資源。信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)通常包括兩個(gè)操作：P（proberen，嘗試）和V（verhogen，增加）。P操作會(huì)嘗試減少信號(hào)量的值，如果為0則線程阻塞；V操作會(huì)增加信號(hào)量的值，并喚醒等待的線程。信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)通常涉及到內(nèi)核調(diào)度和線程管理，需要謹(jǐn)慎處理并發(fā)和死鎖等問(wèn)題。信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)原理互斥鎖是一種同步機(jī)制，用于保護(hù)共享資源，確保在任何時(shí)刻只有一個(gè)線程可以訪問(wèn)共享資源?；コ怄i的實(shí)現(xiàn)需要謹(jǐn)慎處理死鎖和饑餓等問(wèn)題，通常需要提供超時(shí)機(jī)制和鎖升級(jí)等機(jī)制?；コ怄i的實(shí)現(xiàn)通常包括兩個(gè)操作：lock（加鎖）和unlock（解鎖）。當(dāng)一個(gè)線程想要訪問(wèn)共享資源時(shí)，必須先獲取互斥鎖，如果鎖已經(jīng)被其他線程持有，則該線程會(huì)被阻塞。當(dāng)線程釋放互斥鎖時(shí)，其他等待的線程會(huì)被喚醒?；コ怄i的實(shí)現(xiàn)原理?xiàng)l件變量的實(shí)現(xiàn)原理?xiàng)l件變量的實(shí)現(xiàn)通常包括兩個(gè)操作：wait（等待）和signal（通知）。當(dāng)一個(gè)線程想要訪問(wèn)共享資源時(shí)，如果條件不滿足，則調(diào)用wait操作將自己阻塞，并釋放所持有的互斥鎖。當(dāng)其他線程改變了條件并調(diào)用signal操作時(shí)，等待的線程會(huì)被喚醒并重新獲取互斥鎖。條件變量是一種同步機(jī)制，用于實(shí)現(xiàn)線程之間的條件等待和通知。條件變量的實(shí)現(xiàn)需要謹(jǐn)慎處理虛假喚醒和死鎖等問(wèn)題，通常需要提供循環(huán)等待和自旋鎖等機(jī)制。讀寫(xiě)鎖的實(shí)現(xiàn)需要謹(jǐn)慎處理死鎖和饑餓等問(wèn)題，通常需要提供優(yōu)先級(jí)繼承和寫(xiě)者優(yōu)先等策略。讀寫(xiě)鎖是一種同步機(jī)制，用于保護(hù)共享資源，允許多個(gè)線程同時(shí)讀取共享資源，但在寫(xiě)入時(shí)則需要獨(dú)占式的訪問(wèn)。讀寫(xiě)鎖的實(shí)現(xiàn)通常包括四個(gè)操作：read_lock（讀鎖）、write_lock（寫(xiě)鎖）、read_unlock（讀解鎖）和write_unlock（寫(xiě)解鎖）。讀鎖可以同時(shí)被多個(gè)線程獲取，寫(xiě)鎖只能被一個(gè)線程獲取，且寫(xiě)鎖是獨(dú)占式的。讀寫(xiě)鎖的實(shí)現(xiàn)原理PART04同步機(jī)制的使用場(chǎng)景和注意事項(xiàng)2023REPORTING信號(hào)量常用于多線程或多進(jìn)程環(huán)境，用于控制對(duì)共享資源的訪問(wèn)。使用場(chǎng)景1.死鎖2.優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)避免死鎖是使用信號(hào)量的關(guān)鍵，應(yīng)確保所有線程或進(jìn)程在等待資源時(shí)都有一定的時(shí)間限制。信號(hào)量可能會(huì)導(dǎo)致優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)問(wèn)題，需要謹(jǐn)慎處理。030201信號(hào)量的使用場(chǎng)景和注意事項(xiàng)互斥鎖主要用于保護(hù)臨界區(qū)，確保同一時(shí)間只有一個(gè)線程或進(jìn)程可以訪問(wèn)。使用場(chǎng)景互斥鎖可能會(huì)導(dǎo)致死鎖，特別是在嵌套鎖或循環(huán)等待的情況下。1.死鎖互斥鎖有較大的性能開(kāi)銷(xiāo)，應(yīng)盡量避免不必要的鎖定。2.性能開(kāi)銷(xiāo)互斥鎖的使用場(chǎng)景和注意事項(xiàng)

條件變量的使用場(chǎng)景和注意事項(xiàng)使用場(chǎng)景條件變量用于線程間的條件等待，允許一個(gè)或多個(gè)線程等待某個(gè)條件成立。1.虛假喚醒條件變量可能會(huì)發(fā)生虛假喚醒，需要在使用時(shí)進(jìn)行處理。2.避免忙等待條件變量應(yīng)與互斥鎖結(jié)合使用，避免產(chǎn)生忙等待。讀寫(xiě)鎖適用于讀操作頻繁、寫(xiě)操作較少的場(chǎng)景，允許多個(gè)線程同時(shí)讀取共享資源。使用場(chǎng)景在有寫(xiě)操作等待時(shí)，其他讀操作和寫(xiě)操作都需要等待。1.寫(xiě)者優(yōu)先從讀鎖升級(jí)到寫(xiě)鎖可能需要特殊的處理，以避免死鎖。2.升級(jí)鎖讀寫(xiě)鎖的使用場(chǎng)景和注意事項(xiàng)PART05內(nèi)核中同步機(jī)制的性能比較和優(yōu)化建議2023REPORTING信號(hào)量（Semaphore）的性能信號(hào)量是一種常用的同步機(jī)制，用于控制對(duì)共享資源的訪問(wèn)。在內(nèi)核中，信號(hào)量的性能取決于多個(gè)因素，如信號(hào)量的使用方式、系統(tǒng)負(fù)載、并發(fā)線程數(shù)量等。在某些情況下，信號(hào)量可能會(huì)導(dǎo)致性能下降，因?yàn)樗鼈冃枰S護(hù)一個(gè)全局的計(jì)數(shù)器，這會(huì)增加上下文切換和系統(tǒng)調(diào)用的開(kāi)銷(xiāo)。各種同步機(jī)制的性能比較自旋鎖（spinlock）的性能自旋鎖是一種輕量級(jí)的同步機(jī)制，用于保護(hù)共享資源。與信號(hào)量相比，自旋鎖的性能通常更好，因?yàn)樗鼈儾恍枰M(jìn)行上下文切換。然而，自旋鎖的性能也取決于多個(gè)因素，如鎖的競(jìng)爭(zhēng)程度、CPU架構(gòu)和操作系統(tǒng)調(diào)度策略等。在高度并發(fā)的系統(tǒng)中，自旋鎖可能導(dǎo)致性能問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致處理器資源浪費(fèi)。各種同步機(jī)制的性能比較讀寫(xiě)鎖（read-writelock）的性能讀寫(xiě)鎖是一種特殊的同步機(jī)制，用于支持多個(gè)讀線程和最多一個(gè)寫(xiě)線程。讀寫(xiě)鎖的性能取決于讀線程和寫(xiě)線程之間的競(jìng)爭(zhēng)程度。在讀線程競(jìng)爭(zhēng)激烈的情況下，讀寫(xiě)鎖的性能通常優(yōu)于信號(hào)量和自旋鎖。然而，在寫(xiě)線程競(jìng)爭(zhēng)激烈的情況下，讀寫(xiě)鎖可能導(dǎo)致性能下降，因?yàn)樗鼈冃枰S護(hù)多個(gè)鎖狀態(tài)和優(yōu)先級(jí)。各種同步機(jī)制的性能比較根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的同步機(jī)制在選擇同步機(jī)制時(shí)，需要考慮系統(tǒng)的實(shí)際情況，如并發(fā)線程數(shù)量、共享資源的訪問(wèn)模式、系統(tǒng)負(fù)載等。在某些情況下，自旋鎖可能是更好的選擇，而在其他情況下，信號(hào)量或讀寫(xiě)鎖可能更合適。同步機(jī)制的優(yōu)化建議避免過(guò)度同步過(guò)度同步可能導(dǎo)致性能下降和死鎖等問(wèn)題。因此，應(yīng)該避免在不需要的情況下使用同步機(jī)制。如果多個(gè)線程可以并行執(zhí)行而不需要訪問(wèn)共享資源，則