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Linux并发与竞争：从生活例子到内核实战

news 来源：原创 2025/7/4 11:43:07

Linux并发与竞争：从生活例子到内核实战

一、并发与竞争：多车道公路的交通问题

想象一条四车道的高速公路（多核CPU），所有车辆（线程/进程）都想通过同一个收费站（共享资源）。如果没有交通规则（同步机制），就会发生：

  1. 数据竞争：两辆车同时抢一个收费口，导致碰撞（数据损坏）
  2. 死锁：四辆车互相阻挡，形成十字死锁（deadlock）
  3. 饥饿：大货车长期占用车道，小车永远过不去（starvation）

二、原子操作：不可分割的收费卡

2.1 原子操作原理

就像高速公路的ETC系统，收费过程（i++这样的操作）必须一次性完成，不能被其他车辆打断。内核提供两类原子操作：

2.2 原子整形操作

atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);  // 初始化原子变量
atomic_inc(&v);               // v++（不可打断）
int val = atomic_read(&v);    // 安全读取

生活例子：银行金库的黄金数量统计，必须整块计算，不能出现"数到一半被其他人拿走"的情况。

2.3 原子位操作

unsigned long word = 0;
set_bit(0, &word);  // 第0位置1（类似|=操作）
clear_bit(1, &word); // 第1位清0

适用场景：设备寄存器位操作、标志位管理。

三、自旋锁：不停旋转的收费站岗亭

3.1 自旋锁特性

  • 忙等待：获取不到锁时，CPU会"空转"（就像司机在收费口不停探头张望）
  • 短期持有：适合锁持有时间短于线程切换开销的情况
DEFINE_SPINLOCK(my_lock);  // 定义锁spin_lock(&my_lock);       // 获取锁
/* 临界区操作 */           // 只有一辆车能通过
spin_unlock(&my_lock);     // 释放锁

3.2 锁的类型选择指南

锁类型生活类比适用场景
普通自旋锁普通收费岗亭单核CPU/非中断上下文
IRQ自旋锁应急车道专用岗亭中断上下文共享数据
读写自旋锁ETC与人工通道分离读多写少场景（如配置表）

3.3 死锁预防（交通规则）

  1. 避免嵌套锁：不要在一个锁内获取另一个锁
  2. 统一顺序：多个锁按固定顺序获取
  3. 超时机制：spin_trylock_irqsave尝试获取锁

四、信号量：停车场剩余车位显示

4.1 信号量特点

  • 允许睡眠：获取不到资源时，线程可以休眠（不像自旋锁那样空转）
  • 资源计数：可以管理多个同类资源（如停车场剩余车位）
struct semaphore sem;
sema_init(&sem, 5);  // 初始化5个车位down(&sem);          // 获取车位（没有就睡觉）
/* 停车操作 */
up(&sem);            // 释放车位

生活场景：

  • 消费者生产者问题（停车场进出车辆）
  • 打印机池管理（多个打印任务排队）

五、互斥体：单间厕所的门锁

5.1 互斥体特性

  • 唯一访问：同一时刻只有一个线程能进入临界区
  • 可睡眠：比自旋锁更适合长时间持有的场景
struct mutex my_mutex;
mutex_init(&my_mutex);mutex_lock(&my_mutex);
/* 临界区操作 */      // 如厕所单间使用
mutex_unlock(&my_mutex);

5.2 与自旋锁的对比

特性自旋锁互斥体
等待方式CPU空转线程休眠
开销低（无上下文切换）高（需调度）
持有时间短（纳秒级）长（毫秒级）
中断上下文可用不可用

六、实战选择流程图

graph TDA[需要保护共享资源?] -->|是| B{临界区执行时间}B -->|短(<10us)| C[自旋锁]B -->|长(>10us)| D{是否在中断上下文}D -->|是| CD -->|否| E[互斥体]A -->|否| F[无需同步]C --> G{是否需要读写分离}G -->|是| H[读写自旋锁]G -->|否| I[普通自旋锁]E --> J{资源是否可计数}J -->|是| K[信号量]J -->|否| E

七、常见错误案例

7.1 错误示范：中断中误用互斥体

// 错误代码（中断上下文不能睡眠）
irq_handler() {mutex_lock(&lock);  // 可能引发系统崩溃/* 操作硬件寄存器 */mutex_unlock(&lock);
}// 正确做法（使用自旋锁）
irq_handler() {spin_lock_irqsave(&lock, flags);/* 操作硬件 */spin_unlock_irqrestore(&lock, flags);
}

7.2 错误示范：忘记释放锁

void func() {mutex_lock(&lock);if (error) {return; // 直接返回导致锁未释放！}mutex_unlock(&lock);
}// 正确做法（使用goto统一释放）
void func() {mutex_lock(&lock);if (error) {goto unlock;}
unlock:mutex_unlock(&lock);
}

八、性能优化技巧

  1. 减小临界区：只把必须保护的代码放在锁内

    // 不好
mutex_lock(&lock);
process_data(data);
save_to_disk(data);
mutex_unlock(&lock);// 优化后
mutex_lock(&lock);
tmp = data; // 只保护数据拷贝
mutex_unlock(&lock);
process_data(tmp);
save_to_disk(tmp);

  2. 读写分离：读多写少时用读写锁

    DEFINE_RWLOCK(rwlock);// 读线程
read_lock(&rwlock);
/* 只读操作 */
read_unlock(&rwlock);// 写线程
write_lock(&rwlock);
/* 写操作 */
write_unlock(&rwlock);

记住关键原则：锁的粒度要尽可能小，持有时间要尽可能短。

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