一文读懂 | 进程并发与同步
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2021-08-20 18:36
并发 是指在某一时间段内能够处理多个任务的能力，而 并行 是指同一时间能够处理多个任务的能力。并发和并行看起来很像，但实际上是有区别的，如下图（图片来源于网络）：
上图的意思是，有两条在排队买咖啡的队列，并发只有一架咖啡机在处理，而并行就有两架的咖啡机在处理。咖啡机的数量越多，并行能力就越强。
可以把上面的两条队列看成两个进程，并发就是指只有单个CPU在处理，而并行就有两个CPU在处理。为了让两个进程在单核CPU中也能得到执行，一般的做法就是让每个进程交替执行一段时间，比如让每个进程固定执行 100毫秒，执行时间使用完后切换到其他进程执行。而并行就没有这种问题，因为有两个CPU，所以两个进程可以同时执行。如下图：
原子操作
上面介绍过，并发有可能会打断当前执行的进程，然后替切换成其他进程执行。如果有两个进程同时对一个共享变量 count 进行加一操作，由于C语言的 count++ 操作会被翻译成如下指令：
mov eax, [count]
inc eax
mov [count], eax
那么在并发的情况下，有可能出现如下问题：
假设count变量初始值为0：
进程1执行完 mov eax, [count]后，寄存器eax内保存了count的值0。进程2被调度执行。进程2执行 count++的所有指令，将累加后的count值1写回到内存。进程1再次被调度执行，计算count的累加值仍为1，写回到内存。
虽然进程1和进程2执行了两次 count++ 操作，但是count最后的值为1，而不是2。
要解决这个问题就需要使用 原子操作，原子操作是指不能被打断的操作，在单核CPU中，一条指令就是原子操作。比如上面的问题可以把 count++ 语句翻译成指令 inc [count] 即可。Linux也提供了这样的原子操作，如对整数加一操作的 atomic_inc()：
static __inline__ void atomic_inc(atomic_t *v)
{
__asm__ __volatile__(
LOCK "incl %0"
:"=m" (v->counter)
:"m" (v->counter));
}
在多核CPU中，一条指令也不一定是原子操作，比如 inc [count] 指令在多核CPU中需要进行如下过程：
从内存将count的数据读取到cpu。 累加读取的值。 将修改的值写回count内存。
Intel x86 CPU 提供了 lock 前缀来锁住总线，可以让指令保证不被其他CPU中断，如下：
lock
inc [count]
锁
原子操作 能够保证操作不被其他进程干扰，但有时候一个复杂的操作需要由多条指令来实现，那么就不能使用原子操作了，这时候可以使用 锁 来实现。
计算机科学中的 锁 与日常生活的 锁 有点类似，举个例子：比如要上公厕，首先找到一个没有人的厕所，然后把厕所门锁上。其他人要使用的话，必须等待当前这人使用完毕，并且把门锁打开才能使用。在计算机中，要对某个公共资源进行操作时，必须对公共资源进行上锁，然后才能使用。如果不上锁，那么就可能导致数据混乱的情况。
在Linux内核中，比较常用的锁有：自旋锁、信号量、读写锁 等，下面介绍一下自旋锁和信号量的实现。
自旋锁
自旋锁 只能在多核CPU系统中，其核心原理是 原子操作，原理如下图：
使用 自旋锁 时，必须先对自旋锁进行初始化（设置为1），上锁过程如下：
对自旋锁 lock进行减一操作，判断结果是否等于0，如果是表示上锁成功并返回。如果不等于0，表示其他进程已经上锁，此时必须不断比较自旋锁 lock的值是否等于1（表示已经解锁）。如果自旋锁 lock等于1，跳转到第一步继续进行上锁操作。
由于Linux的自旋锁使用汇编实现，所以比较苦涩难懂，这里使用C语言来模拟一下：
void spin_lock(amtoic_t *lock)
{
again:
result = --(*lock);
if (result == 0) {
return;
}
while (true) {
if (*lock == 1) {
goto again;
}
}
}
上面代码将 result = --(*lock); 当成原子操作，解锁过程只需要把 lock 设置为1即可。由于自旋锁会不断尝试上锁操作，并不会对进程进行调度，所以在单核CPU中可能会导致 100% 的CPU占用率。另外，自旋锁只适合粒度比较小的操作，如果操作粒度比较大，就需要使用信号量这种可调度进程的锁。
信号量
与 自旋锁 不一样，当当前进程对 信号量 进行上锁时，如果其他进程已经对其进行上锁，那么当前进程会进入睡眠状态，等待其他进程对信号量进行解锁。过程如下图：
在Linux内核中，信号量使用 struct semaphore 表示，定义如下：
struct semaphore {
raw_spinlock_t lock;
unsigned int count;
struct list_head wait_list;
};
各个字段的作用如下：
lock：自旋锁，用于对多核CPU平台进行同步。count：信号量的计数器，上锁时对其进行减一操作(count--)，如果得到的结果为大于等于0，表示成功上锁，如果小于0表示已经被其他进程上锁。wait_list：正在等待信号量解锁的进程队列。
信号量 上锁通过 down() 函数实现，代码如下：
void down(struct semaphore *sem)
{
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
if (likely(sem->count > 0))
sem->count--;
else
__down(sem);
spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}
上面代码可以看出，down() 函数首先对信号量进行自旋锁操作（为了避免多核CPU竞争），然后比较计数器是否大于0，如果是对计数器进行减一操作，并且返回，否则调用 __down() 函数进行下一步操作。__down() 函数实现如下：
static noinline void __sched __down(struct semaphore *sem)
{
__down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);
}
static inline int __down_common(struct semaphore *sem,
long state, long timeout)
{
struct task_struct *task = current;
struct semaphore_waiter waiter;
// 把当前进程添加到等待队列中
list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
waiter.task = task;
waiter.up = 0;
for (;;) {
...
__set_task_state(task, state);
spin_unlock_irq(&sem->lock);
timeout = schedule_timeout(timeout);
spin_lock_irq(&sem->lock);
if (waiter.up) // 当前进程是否获得信号量锁?
return 0;
}
...
}
__down() 函数最终调用 __down_common() 函数，而 __down_common() 函数的操作过程如下：
把当前进程添加到信号量的等待队列中。 切换到其他进程运行，直到被其他进程唤醒。 如果当前进程获得信号量锁（由解锁进程传递），那么函数返回。
接下来看看解锁过程，解锁过程主要通过 up() 函数实现，代码如下：
void up(struct semaphore *sem)
{
unsigned long flags;
raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
if (likely(list_empty(&sem->wait_list))) // 如果没有等待的进程, 直接对计数器加一操作
sem->count++;
else
__up(sem); // 如果有等待进程, 那么调用 __up() 函数进行唤醒
raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}
static noinline void __sched __up(struct semaphore *sem)
{
// 获取到等待队列的第一个进程
struct semaphore_waiter *waiter = list_first_entry(
&sem->wait_list, struct semaphore_waiter, list);
list_del(&waiter->list); // 把进程从等待队列中删除
waiter->up = 1; // 告诉进程已经获得信号量锁
wake_up_process(waiter->task); // 唤醒进程
}
解锁过程如下：
判断当前信号量是否有等待的进程，如果没有等待的进程, 直接对计数器加一操作 如果有等待的进程，那么获取到等待队列的第一个进程。 把进程从等待队列中删除。 告诉进程已经获得信号量锁 唤醒进程。