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文章目錄

• 1.引言
• 1.1 為什麼會引起非同步操作
• 2.記憶體屏障
• 4.鎖
• 4.1 鎖的重要性
• 4.2 鎖的實現
• 4.3 鎖分類

1.引言

原理：CPU提供了原子操作、關中斷、鎖記憶體匯流排,記憶體屏障等機制；OS基於這幾個CPU硬體機制，就能夠實現鎖；再基於鎖，就能夠實現各種各樣的同步機制（訊號量、訊息、Barrier等等等等）。

所有的同步操作最基礎的理論就是原子操作。記憶體屏障,鎖都是為了保證在不同的平臺或者是CPU型別下的原子操作。

原子操作在單核，單執行緒/無中斷，且編譯器不優化的情況下是確定的，是按照C/C++程式碼順序執行的，所以不存在非同步問題

1.1 為什麼會引起非同步操作

首先了解一下cpu處理指令的步驟:
（1）早期的處理器為有序處理器，指令處理順序:

• 讀取指令
• 執行指令。如果暫存器可寫就從記憶體取出a的資料到暫存器，暫存器不可寫就等待
• 暫存器處理指令
• .將暫存器結果存入記憶體

（2）現在的處理器大多數為亂序處理器,處理順序：

• 讀取指令
• 指令被劃分到指令佇列
• 指令在佇列中等待,如果暫存器可寫就從記憶體取出a的資料到暫存器，暫存器不可寫就等待
• 暫存器處理指令
• 將執行結果存入佇列(而不是立即寫入暫存器堆)
• 只有當所有更早的請求執行的指令結果被寫入記憶體之後，執行的結果才會被存入記憶體(執行結果重排序，讓執行看起來是有序的)

CPU執行指令過程中的同步問題
一條簡單的a++語句究竟會有這麼多條指令，而這一組指令是可以在任意時候非同步執行的(共享資料)

• 單核多執行緒情況下,執行緒是存在中斷的，中斷的時候cpu呼叫另一執行緒的同一指令組，所以是可能出現交叉執行的可能，也就是說單執行緒或者關掉中斷可以解決非同步問題，但很多時候這種做法並不實際
• 多核多執行緒情況下共享資料被多個核並行處理，不論哪一種處理器都存在同時執行的可能，這就導致了非同步問題
• 現在的編譯器都具有優化及自動優化功能，優化之後可能會對共享變臉的訪問順序進行調整，可能會造成與預期不相符的結果。

2.記憶體屏障

記憶體屏障的作用：

• 在編譯時:拒絕編譯器優化屏障前後的指令,防止記憶體亂序訪問;
• 在執行時:告訴記憶體地址匯流排共享資料地址的資料必須同步(當多個執行緒同時將一個共享資料地址的資料載入到佇列裡的時候，先完成處理從cpu到記憶體的時候總是通知其他執行緒跟新佇列中的該共享資料,從而保證一致性)

記憶體屏障常用場合包括：

1. 實現同步原語（synchronization primitives）
2. 實現無鎖資料結構（lock-free data structures）
3. 驅動程式

記憶體屏障分類
基本的記憶體屏障有4種:

1. 寫屏障
2. 資料依賴屏障(常與寫屏障成對出現)；
3. 讀屏障；
4. 通用記憶體屏障

記憶體屏障還有兩種隱式的屏障變種: LOCK和UNLOCK操作(表面上這兩個操作的實際用途和原子操作裡面的Lock解釋有區別，原子操作裡面的lock是鎖記憶體匯流排，這裡面的lock是保證執行的執行順按照lock前，lock中，lock後的順序執行)

記憶體屏障按照使用層次可以分為

• 編譯器屏障。
• CPU記憶體屏障。
• MMIO write屏障。

所以:記憶體屏障只是一種執行緒同步的手段，並不會阻塞執行緒，僅保證了程式碼執行順序和多核競爭情況下的資料一致性。

4.鎖

在多執行緒程式設計中，為了保證資料操作的一致性，作業系統引入了鎖機制，用於保證臨界區程式碼的安全。通過鎖機制，能夠保證在多核多執行緒環境中，在某一個時間點上，只能有一個執行緒進入臨界區程式碼，從而保證臨界區中操作資料的一致性。

所謂的鎖，說白了就是記憶體中的一個整型數，擁有兩種狀態：空閒狀態和上鎖狀態。加鎖時，判斷鎖是否空閒，如果空閒，修改為上鎖狀態，返回成功；如果已經上鎖，則返回失敗。解鎖時，則把鎖狀態修改為空閒狀態。

4.1 鎖的重要性

我們首先看看如果OS不採用任何其他手段，什麼情況下會導致上鎖失敗？假如我們把加鎖過程用如下偽碼錶示：

1. read lock；
2. 判斷lock狀態；判斷lock狀態；
3. 如果已經加鎖，失敗返回；如果已經加鎖，失敗返回
4. 把鎖狀態設定為上鎖；把鎖狀態設定為上鎖；
5. 返回成功。返回成功。

明白彙編的同學一看就明白上述每一步都能對應到一條彙編語句，所以我們可以認為每一步本身是原子的。

那麼什麼情況能夠導致兩個執行緒同時獲取到鎖呢？
（1）中斷
假設執行緒A執行完第一步，發生中斷，中斷返回後，OS排程執行緒B，執行緒B也來加鎖並且加鎖成功，這時OS排程執行緒A執行，執行緒從第二步開始執行，也加鎖成功。
（2）多核
當然了，想想上面舉的例子，描述的就是兩個核同時獲取到鎖的情況。

4.2 鎖的實現

既然明白鎖失敗的原因，解決手段就很明確了：
先考慮單核場景：

1. 既然只有中斷才能把上鎖過程打斷，造成多執行緒操作失敗。我先關中斷不就得了，在加鎖操作完成後再開中斷。

2. 上面這個手段太笨重了，能不能硬體做一種加鎖的原子操作呢？能，大名鼎鼎的“test and set”指令就是做這個事情的。

3. 在多核情況下，test and set指令可能會被多個cpu同時執行，還需要附加機制：鎖記憶體匯流排的機制。硬體提供了鎖記憶體匯流排的機制，我們在鎖記憶體匯流排的狀態下執行test and set操作，就能保證同時只有一個核來test and set，從而避免了多核下發生的問題（所謂匯流排鎖就是使用處理器提供的一個LOCK＃訊號，當一個處理器在總線上輸出此訊號時，其他處理器的請求將被阻塞住,那麼該處理器可以獨佔使用共享記憶體。）

總結一下，在硬體層面，CPU提供了原子操作、關中斷、鎖記憶體匯流排的機制；OS基於這幾個CPU硬體機制，就能夠實現鎖；再基於鎖，就能夠實現各種各樣的同步機制（訊號量、訊息、Barrier等等等等）。

4.3 鎖分類

• 原子鎖：使用了鎖匯流排的方式實現原子操作
• 自旋鎖：while等待,不可搶佔的單CPU核心下是無效的，有軟中斷的情況下，必須使用時本地軟中斷失效的方法。自旋鎖更像是一種使用者層控制的while等待處理
• 讀寫鎖: 讀寫鎖實際是一種特殊的自旋鎖，它把對共享資源的訪問者劃分成讀者和寫者，讀者只對共享資源進行讀訪問，寫者則需要對共享資源進行寫操作
• 互斥鎖：沉睡/休眠等待,所以互斥鎖比自旋鎖排程耗時。
• 訊號量：用於同一時刻有多個個例項能獲取鎖，可用於表示同時有多少個client請求允許訪問同一個資料塊，允許鎖個數設定為1的時候就是互斥鎖.
• 讀寫訊號量：對同時擁有的讀者數不受限制，只能一個寫者，寫者發現不需要寫的時候降級為讀者。
• 順序鎖：用於能夠區分讀與寫的場合，並且是讀操作很多、寫操作很少，寫操作的優先權大於讀操作。
• 讀拷貝鎖：RCU（read-copy-update）(RCU也是用於能夠區分讀與寫的場合，並且也是讀多寫少，但是讀操作的優先權大於寫操作)
• • rcuclassic：禁止核心搶佔的
• • rcupreempt:允許核心搶佔的，實時性更高，和rcuclassic相反
• • rcutree：和rcuclassic類似
• BKL(大核心鎖): 整個核心只有一把這樣的鎖，一旦一個程序獲得大核心鎖，進入了被它保護的臨界區，不但該臨界區被鎖住，所有被它保護的其它臨界區都將無法訪問，直到該程序釋放大核心鎖