同步是指协调多个执行线程或进程的执行,以确保它们按照一定的顺序执行或在特定的条件下等待。常见的同步机制包括信号量、条件变量和屏障等。
进程与线程之间是有区别的,不过linux内核只提供了轻量进程的支持,未实现线程模型。Linux是一种“多进程单线程”的操作系统。Linux本身只有进程的概念,而其所谓的“线程”本质上在内核里仍然是进程。
linux内核中有多种内核锁,内核锁的作用是: 多核处理器下,会存在多个进程处于内核态的情况,而在内核态下,进程是可以访问所有内核数据的,因此要对共享数据进行保护,即互斥处理; linux内核锁机制有信号量、互斥锁、自旋锁还有原子操作。 一、信号量(struct semaphore): 是用来解决进程/线程之间的同步和互斥问题的一种通信机制,是用来保证两个或多个关键代码不被并发调用。 信号量(Saphore)由一个值和一个指针组成,指针指向等待该信号量的进程。信号量的值表示相应资源的使用情况。信号量S>=0
多线程编程已经成为了现代软件开发的重要组成部分。对于Linux操作系统而言,多线程的支持和实现更是被广泛应用。本文将通过详细解析Linux操作系统中的多线程概念、线程的创建与管理、同步与互斥、线程间通信等方面,并结合示例代码,来深入探讨Linux的多线程编程。
初学操作系统的时候,我就一直懵逼,为啥进程同步与互斥机制里有信号量机制,进程通信里又有信号量机制,然后你再看网络上的各种面试题汇总或者博客,你会发现很多都是千篇一律的进程通信机制有哪些?进程同步与互斥机制鲜有人问津。看多了我都想把 CSDN 屏了.....,最后知道真相的我只想说为啥不能一篇博客把东西写清楚,没头没尾真的浪费时间。
线程同步可以说在日常开发中是用的很多,但对于其内部如何实现的,一般人可能知道的并不多。本篇文章将从如何实现简单的锁开始,介绍linux中的锁实现futex的优点及原理。
引子 在编译2.6内核的时候,你会在编译选项中看到[*] Enable futex support这一项,上网查,有的资料会告诉你"不选这个内核不一定能正确的运行使用glibc的程序",那futex是什么?和glibc又有什么关系呢? 1. 什么是Futex Futex 是Fast Userspace muTexes的缩写,由Hubertus Franke, Matthew Kirkwood, Ingo Molnar and Rusty Russell共同设计完成。几位都是linux领域的专家,其中可能Ingo Molnar大家更熟悉一些,毕竟是O(1)调度器和CFS的实现者。 Futex按英文翻译过来就是快速用户空间互斥体。其设计思想其实 不难理解,在传统的Unix系统中,System V IPC(inter process communication),如 semaphores, msgqueues, sockets还有文件锁机制(flock())等进程间同步机制都是对一个内核对象操作来完成的,这个内核对象对要同步的进程都是可见的,其提供了共享 的状态信息和原子操作。当进程间要同步的时候必须要通过系统调用(如semop())在内核中完成。可是经研究发现,很多同步是无竞争的,即某个进程进入 互斥区,到再从某个互斥区出来这段时间,常常是没有进程也要进这个互斥区或者请求同一同步变量的。但是在这种情况下,这个进程也要陷入内核去看看有没有人 和它竞争,退出的时侯还要陷入内核去看看有没有进程等待在同一同步变量上。这些不必要的系统调用(或者说内核陷入)造成了大量的性能开销。为了解决这个问 题,Futex就应运而生,Futex是一种用户态和内核态混合的同步机制。首先,同步的进程间通过mmap共享一段内存,futex变量就位于这段共享 的内存中且操作是原子的,当进程尝试进入互斥区或者退出互斥区的时候,先去查看共享内存中的futex变量,如果没有竞争发生,则只修改futex,而不 用再执行系统调用了。当通过访问futex变量告诉进程有竞争发生,则还是得执行系统调用去完成相应的处理(wait 或者 wake up)。简单的说,futex就是通过在用户态的检查,(motivation)如果了解到没有竞争就不用陷入内核了,大大提高了low-contention时候的效率。 Linux从2.5.7开始支持Futex。 2. Futex系统调用 Futex是一种用户态和内核态混合机制,所以需要两个部分合作完成,linux上提供了sys_futex系统调用,对进程竞争情况下的同步处理提供支持。 其原型和系统调用号为 #include <linux/futex.h> #include <sys/time.h> int futex (int *uaddr, int op, int val, const struct timespec *timeout,int *uaddr2, int val3); #define __NR_futex 240 虽然参数有点长,其实常用的就是前面三个,后面的timeout大家都能理解,其他的也常被ignore。 uaddr就是用户态下共享内存的地址,里面存放的是一个对齐的整型计数器。 op存放着操作类型。定义的有5中,这里我简单的介绍一下两种,剩下的感兴趣的自己去man futex FUTEX_WAIT: 原子性的检查uaddr中计数器的值是否为val,如果是则让进程休眠,直到FUTEX_WAKE或者超时(time-out)。也就是把进程挂到uaddr相对应的等待队列上去。 FUTEX_WAKE: 最多唤醒val个等待在uaddr上进程。 可见FUTEX_WAIT和FUTEX_WAKE只是用来挂起或者唤醒进程,当然这部分工作也只能在内核态下完成。有些人尝试着直接使用futex系统调 用来实现进程同步,并寄希望获得futex的性能优势,这是有问题的。应该区分futex同步机制和futex系统调用。futex同步机制还包括用户态 下的操作,我们将在下节提到。 3. Futex同步机制 所有的futex同步操作都应该从用户空间开始,首先创建一个futex同步变量,也就是位于共享内存的一个整型计数器。 当 进程尝试持有锁或者要进入互斥区的时候,对futex执行"down"操作,即原子性的给futex同步变量减1。如果同步变量变为0,则没有竞争发生, 进程照常执行。如果同步变量是个负数,则意味着有竞争发生,需要调用futex系统调用的futex_wait操作休眠当前进程。 当进程释放锁或 者要离开互斥区的时候,对futex进行"up"操作,即原子性的给futex同步变量加1。如果同步变量由0变成1,则没有竞争发生,进程照常执
在上一篇博客 【Linux 内核 内存管理】RCU 机制 ① ( RCU 机制简介 | RCU 机制的优势与弊端 | RCU 机制的链表应用场景 ) 中 , 分析了 RCU 机制的优势与弊端 ;
综述 在上一篇介绍了linux驱动的调试方法,这一篇介绍一下在驱动编程中会遇到的并发和竟态以及如何处理并发和竞争。 首先什么是并发与竟态呢?并发(concurrency)指的是多个执行单元同时、并行被执行。而并发的执行单元对共享资源(硬件资源和软件上的全局、静态变量)的访问则容易导致竞态(race conditions)。可能导致并发和竟态的情况有: SMP(Symmetric Multi-Processing),对称多处理结构。SMP是一种紧耦合、共享存储的系统模型,它的特点是多个CPU使用共同的系统总线
在现代操作系统里,同一时间可能有多个内核执行流在执行,因此内核其实像多进程多线程编程一样也需要一些同步机制来同步各执行单元对共享数据的访问,尤其是在多处理器系统上,更需要一些同步机制来同步不同处理器上的执行单元对共享的数据的访问。在主流的Linux内核中包含了如下这些同步机制包括:
铺垫 在Java SE 1.5之前,多线程并发中,synchronized一直都是一个元老级关键字,而且给人的一贯印象就是一个比较重的锁。 为此,在Java SE 1.6之后,这个关键字被做了很多的优化,从而让以往的“重量级锁”变得不再那么重。 synchronized主要有两种使用方法,一种是代码块,一种关键字写在方法上。 这两种用法底层究竟是怎么实现的呢?在1.6之前是怎么实现的呢? 字节码实现原理 在java语言中存在两种内建的synchronized语法:1、synchronized语句;2、s
典型的UNIX系统都支持一个进程创建多个线程(thread)。在Linux进程基础中提到,Linux以进程为单位组织操作,Linux中的线程也都基于进程。尽管实现方式有异于其它的UNIX系统,但Linux的多线程在逻辑和使用上与真正的多线程并没有差别。 多线程 我们先来看一下什么是多线程。在Linux从程序到进程中,我们看到了一个程序在内存中的表示。这个程序的整个运行过程中,只有一个控制权的存在。当函数被调用的时候,该函数获得控制权,成为激活(active)函数,然后运行该函数中的指令。与此同时,其它的函数
---- Hello、Hello大家好,我是木荣,今天我们继续来聊一聊Linux中多线程编程中的重要知识点,详细谈谈多线程中同步和互斥机制。 同步和互斥 互斥:多线程中互斥是指多个线程访问同一资源时同时只允许一个线程对其进行访问,具有唯一性和排它性。但互斥无法限制访问者对资源的访问顺序,即访问是无序的; 同步:多线程同步是指在互斥的基础上(大多数情况),通过其它机制实现访问者对资源的有序访问。在大多数情况下,同步已经实现了互斥,特别是所有写入资源的情况必定是互斥的。少数情况是指可以允许多个访问者同时访问资源
大家好,又见面了,我是你们的朋友全栈君。 引子 在编译2.6内核的时候,你会在编译选项中看到[*] Enable futex support这一项,上网查,有的资料会告诉你”不选这个内核不一定能正确的运行使用glibc的程序”,那futex是什么?和glibc又有什么关系呢? 1. 什么是Futex Futex 是Fast Userspace muTexes的缩写,由Hubertus Franke, Matthew Kirkwood, Ingo Molnar and Rusty Russell共同设计完成。几位都是linux领域的专家,其中可能Ingo Molnar大家更熟悉一些,毕竟是O(1)调度器和CFS的实现者。 Futex按英文翻译过来就是快速用户空间互斥体。其设计思想其实 不难理解,在传统的Unix系统中,System V IPC(inter process communication),如 semaphores, msgqueues, sockets还有文件锁机制(flock())等进程间同步机制都是对一个内核对象操作来完成的,这个内核对象对要同步的进程都是可见的,其提供了共享 的状态信息和原子操作。当进程间要同步的时候必须要通过系统调用(如semop())在内核中完成。可是经研究发现,很多同步是无竞争的,即某个进程进入 互斥区,到再从某个互斥区出来这段时间,常常是没有进程也要进这个互斥区或者请求同一同步变量的。但是在这种情况下,这个进程也要陷入内核去看看有没有人 和它竞争,退出的时侯还要陷入内核去看看有没有进程等待在同一同步变量上。这些不必要的系统调用(或者说内核陷入)造成了大量的性能开销。为了解决这个问 题,Futex就应运而生,Futex是一种用户态和内核态混合的同步机制。首先,同步的进程间通过mmap共享一段内存,futex变量就位于这段共享 的内存中且操作是原子的,当进程尝试进入互斥区或者退出互斥区的时候,先去查看共享内存中的futex变量,如果没有竞争发生,则只修改futex,而不 用再执行系统调用了。当通过访问futex变量告诉进程有竞争发生,则还是得执行系统调用去完成相应的处理(wait 或者 wake up)。简单的说,futex就是通过在用户态的检查,(motivation)如果了解到没有竞争就不用陷入内核了,大大提高了low-contention时候的效率。 Linux从2.5.7开始支持Futex。 2. Futex系统调用 Futex是一种用户态和内核态混合机制,所以需要两个部分合作完成,linux上提供了sys_futex系统调用,对进程竞争情况下的同步处理提供支持。 其原型和系统调用号为 #include <linux/futex.h> #include <sys/time.h> int futex (int *uaddr, int op, int val, const struct timespec *timeout,int *uaddr2, int val3); #define __NR_futex 240 虽然参数有点长,其实常用的就是前面三个,后面的timeout大家都能理解,其他的也常被ignore。 uaddr就是用户态下共享内存的地址,里面存放的是一个对齐的整型计数器。 op存放着操作类型。定义的有5中,这里我简单的介绍一下两种,剩下的感兴趣的自己去man futex FUTEX_WAIT: 原子性的检查uaddr中计数器的值是否为val,如果是则让进程休眠,直到FUTEX_WAKE或者超时(time-out)。也就是把进程挂到uaddr相对应的等待队列上去。 FUTEX_WAKE: 最多唤醒val个等待在uaddr上进程。 可见FUTEX_WAIT和FUTEX_WAKE只是用来挂起或者唤醒进程,当然这部分工作也只能在内核态下完成。有些人尝试着直接使用futex系统调 用来实现进程同步,并寄希望获得futex的性能优势,这是有问题的。应该区分futex同步机制和futex系统调用。futex同步机制还包括用户态 下的操作,我们将在下节提到。 3. Futex同步机制 所有的futex同步操作都应该从用户空间开始,首先创建一个futex同步变量,也就是位于共享内存的一个整型计数器。 当 进程尝试持有锁或者要进入互斥区的时候,对futex执行”down”操作,即原子性的给futex同步变量减1。如果同步变量变为0,则没有竞争发生, 进程照常执行。如果同步变量是个负数,则意味着有竞争发生,需要调用futex系统调用的futex_wait操作休眠当前进程。 当进程释放锁或 者要离开互斥区的时候,对futex进行”up”操作,
因为现代操作系统是多处理器计算的架构,必然更容易遇到多个进程,多个线程访问共享数据的情况,如下图所示:
通过对线程与线程控制的相关知识点的编程学习和锻炼,培养学生们对线程相关实例问题的分析与解决能力。
Bionic库是Android的基础库之一,也是连接Android系统和Linux系统内核的桥梁,Bionic中包含了很多基本的功能模块,这些功能模块基本上都是源于Linux,但是就像青出于蓝而胜于蓝,它和Linux还是有一些不一样的的地方。同时,为了更好的服务Android,Bionic中也增加了一些新的模块,由于本次的主题是Androdi的跨进程通信,所以了解Bionic对我们更好的学习Android的跨进行通信还是很有帮助的。
一切互斥操作的依赖是 自旋锁(spin_lock),互斥量(semaphore)等其他需要队列的实现均需要自选锁保证临界区互斥访问。
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网上看了很多的嵌入式学习路线,有的比较片面,有的为了博人眼球东拼西凑,几乎把整个行业用得着用不着的技术都写上去了,没有侧重点,简直是劝退指南,还有的纯粹是打广告卖板子招生。
引子 在编译2.6内核的时候,你会在编译选项中看到[*] Enable futex support这一项,上网查,有的资料会告诉你”不选这个内核不一定能正确的运行使用glibc的程序”,那futex是什么?和glibc又有什么关系呢?
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* UNIX进程间通信方式: 包括管道(PIPE), 有名管道(FIFO), 和信号(Signal)
曾经是某见的教学总监,我带出来的学生也有大几千了,基本都从事linux相关开发工作。现在在各行各业也基本都是翘楚,有的都成公司技术主管,带领几十人上百人团队。
Futex 是Fast Userspace muTexes的缩写,由Hubertus Franke, Matthew Kirkwood, Ingo Molnar and Rusty Russell共同设计完成。
不能拷贝互斥量变量,但可以拷贝指向互斥量的指针,这样就可以使多个函数或线程共享互斥量来实现同步。上面动态申请的互斥量需要动态的撤销。
这两天看进程的同步与通信,看了几本书上的介绍,也从网上搜了很多资料,越看越迷惑,被这几个问题搞得很纠结。
锁是一个常见的同步概念,我们都听说过加锁(lock)或者解锁(unlock),当然学术一点的说法是获取(acquire)和释放(release)。
进程间通信(IPC,Inter-Process Communication),指至少两个进程或线程间传送数据或信号的一些技术或方法。
在处理进程间的同步与互斥问题时,我们离不开信号量和PV原语,使用这两个工具的目的在于打造一段不可分割不可中断的程序。应当注意的是,信号量和PV原语是解决进程间同步与互斥问题的一种机制,但并不是唯一的机制。
前言:非常早之前就接触过同步这个概念了,可是一直都非常模糊。没有深入地学习了解过,最近有时间了,就花时间研习了一下《linux内核标准教程》和《深入linux设备驱动程序内核机制》这两本书的相关章节。趁刚看完,就把相关的内容总结一下。
并发相关的缺陷是最容易制造的,也是最难找到的,为了响应现代硬件和应用程序的需求,Linux 内核已经发展到同时处理更多事情的时代。这种变革使得内核性能及伸缩性得到了相当大的提高,然而也极大提高了内核编程的复杂性。
在实践的道路上走的太远,就需要回头看一下理论。操作系统,可以说是基础知识中的重中之重。
说明:本篇博客整理自文末的多篇参考博客(每篇博客各有侧重)。本文结合源码对Unsafe的park和unpark方法进行了完整全面的梳理,并对部分参考博客中存在的错误描述进行说明。
这篇文章介绍Linux下线程同步与互斥机制–互斥锁,在多线程并发的时候,都会出现多个消费者取数据的情况,这种时候数据都需要进行保护,比如: 火车票售票系统、汽车票售票系统一样,总票数是固定的,但是购票的终端非常多。
1、概念 futex: a sort of fast, user-space mutual exclusion primitive. Futex是一种用户态和内核态混合的同步机制。首先,同步的进程间通过mmap共享一段内存,futex变量就位于这段共享的内存中且操作是原子的,当进程尝试进入互斥区或者退出互斥区的时候,先去查看共享内存中的futex变量,如果没有竞争发生,则只修改futex,而不用再执行系统调用了。当通过访问futex变量告诉进程有竞争发生,则还是得执行系统调用去完成相应的处理(wait 或者 wake up)。简单的说,futex就是通过在用户态的检查,(motivation)如果了解到没有竞争就不用陷入内核了,大大提高了low-contention时候的效率。 https://lwn.net/Articles/172149/ https://lwn.net/Articles/360699/ 2、futex的由来 为什么要有futex,他解决什么问题?何时加入内核的?我们来看下 经研究发现,很多同步是无竞争的,即某个进程进入互斥区,到再从某个互斥区出来这段时间,常常是没有进程也要进这个互斥区或者请求同一同步变量的。但是在这种情况下,这个进程也要陷入内核去看看有没有人和它竞争,退出的时侯还要陷入内核去看看有没有进程等待在同一同步变量上。这些不必要的系统调用(或者说内核陷入)造成了大量的性能开销。为了解决这个问题,Futex就应运而生。 前面的概念已经说了,futex是一种用户态和内核态混合同步机制,为什么会是用户态+内核态,听起来有点复杂,由于我们应用程序很多场景下多线程都是非竞争的,也就是说多任务在同一时刻同时操作临界区的概率是比较小的,大多数情况是没有竞争的,在早期内核同步互斥操作必须要进入内核态,由内核来提供同步机制,这就导致在非竞争的情况下,互斥操作扔要通过系统调用进入内核态。 我们来看一下程序 程序1: pthread_mutex_t lock; int count = 0; void thread1() { while(1) { pthread_mutex_lock(&lock); /* do something */ count++; pthread_mutex_unlock(&lock); } } void thread2() { while(1) { sleep(60); pthread_mutex_lock(&lock); count = 0; pthread_mutex_unlock(&lock); } } pthread_create(&tid1, NULL, thread1, NULL); pthread_create(&tid2, NULL, thread1, NULL);
在上一篇文章中,我们探讨了进程间通信的三种常见机制:管道、消息队列和共享内存。我们了解到,这些机制各有其特点和适用场景,可以根据实际需求选择合适的机制进行进程间通信。然而,进程间通信并不仅限于这三种方式。
进程是操作系统进行资源分配的基本单位,每个进程都有自己的独立内存空间。由于进程比较重量,占据独立的内存,所以上下文进程间的切换开销(栈、寄存器、虚拟内存、文件句柄等)比较大,但相对比较稳定安全。
线程存在于进程当中,是操作系统调度执行的最小单位。说通俗点线程就是干活,多线程也就是同时可以干不同的活而且还不会互相打扰,线程并没有自己的独立空间。
在线程并发执行的时候,我们需要保证临界资源的安全访问,防止线程争抢资源,造成数据二义性。
1.如果说文件是unix系统最重要的抽象概念,那么进程仅次于文件。进程是执行中的目标代码:活动的、生存的、运行的程序。
面试中经常会被问到高性能服务模型选择对比,以及如何提高服务性能和处理能力,这其中涉及操作系统软件和计算机硬件知识,其实都是在考察候选人的基础知识掌握程度,但如果没准备的话容易一头雾水,这次带大家从头到尾学习一遍,学完这一篇再也不怕面试官刨根问底了!
操作系统中的进程是指正在运行的程序的实例。每个进程都有自己的地址空间、数据和代码。进程是操作系统进行资源分配和调度的基本单位。
本文主要探讨了在Linux系统中,文件锁的概念、实现方式、相关命令和应用场景。文件锁主要用于保护文件系统,避免因多个进程并发访问同一文件而导致的竞争条件。通过使用锁命令和工具,可以有效地管理文件锁,确保文件系统的安全性和稳定性。
进程(Process)是计算机进行系统分配和调度的基本单位,为使程序能并发执行,且为了对并发执行的程序加以描述和控制,人们引入了“进程”的概念。而实现进程并发和调度的关键是进程控制块-PCB(Process Control Block),那PCB是什么呢,而其工作原理是什么样的呢?
自旋锁主要用来解决SMP和调度引发的竞态问题,但是普通的自旋锁并不关心临界区在执行什么操作,对读和写都一视同仁,这样就会存在一些弊端!
读了第15章,大致感觉到了CAS的乐观锁特性。“锁”这个词太有意思了,你能体会到几个意思?
RCU , 英文全称是 " Read-Copy-Update “ , 对应的中文名称是 ” 读取-拷贝-更新 “ , 这是 Linux 内核中的 ” 同步机制 " ;
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