了解Linux的锁与同步

上周看了Linux的进程与线程，对操作系统的底层有了更进一步的一些了解。我同时用Linux内核设计与实现和Solaris内核结构两本书对比着看，这样更容易产生对比和引发思考。现代操作系统很多思路都是相同的，比如抢占式的多线程及内核、虚拟内存管理等方面。但另外一方面还是有很多差异。在了解锁和同步之前，原子操作是所有一切底层实现的基础。

原子操作Atomic

通常操作系统和硬件都提供特性，可以对一个字节进行原子操作的的读写，并且通常在此基础上来实现更高级的锁特性。

• atomic_t结构

原子操作通常针对int或bit类型的数据，但是Linux并不能直接对int进行原子操作，而只能通过atomic_t的数据结构来进行。目前了解到的原因有两个。

一是在老的Linux版本，atomic_t实际只有24位长，低8位用来做锁，如下图所示。这是由于Linux是一个跨平台的实现，可以运行在多种 CPU上，有些类型的CPU比如SPARC并没有原生的atomic指令支持，所以只能在32位int使用8位来做同步锁，避免多个线程同时访问。(最新版SPARC实现已经突破此限制)

 

另外一个原因是避免atomic_t传递到程序其他地方进行操作修改等。强制使用atomic_t，则避免被不恰当的误用。

atomic_t my_counter = ATOMIC_INIT(0);
val = atomic_read( &my_counter );
atomic_add( 1, &my_counter );
atomic_inc( &my_counter );
atomic_sub( 1, &my_counter );
atomic_dec( &my_counter );

• 原子操作硬件上的实现

Solaris的实现是基于test-and-set的指令，并且该指令为原子操作。比如Solaris的实现在SPARC上是基于ldstub和cas指令，在x86上用的是cmpxchg指令。但是Linux似乎直接用的add指令。

OpenSolaris i386的实现

	movl	4(%esp), %edx	/ %edx = target address
	movl	(%edx), %eax	/ %eax = old value
1:
	leal	1(%eax), %ecx	/ %ecx = new value
	lock
	cmpxchgl %ecx, (%edx)	/ try to stick it in
	jne	1b
	movl	%ecx, %eax	/ return new value
	ret

在Linux源代码asm_i386/atomic.h中

/**  * atomic_add - add integer to atomic variable  * @i: integer value to add  * @v: pointer of type atomic_t  *  * Atomically adds @i to @v. Note that the guaranteed useful range  * of an atomic_t is only 24 bits.  */
static __inline__ void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{
        __asm__ __volatile__(
                LOCK "addl %1,%0"
                :"=m" (v->counter)
                :"ir" (i), "m" (v->counter));
}

锁的类型

• Spinlocks自旋锁

如果锁被占用，尝试获取锁的线程进入busy-wait状态，即CPU不停的循环检查锁是否可用。自旋锁适合占用锁非常短的场合，避免等待锁的线程sleep而带来的CPU两个context switch的开销。

• Semaphores信号量

如果锁被占用，尝试获取锁的线程进入sleep状态，CPU切换到别的线程。当锁释放之后，系统会自动唤醒sleep的线程。信号量适合对锁占用较长时间的场合。

• Adaptive locks自适应锁

顾名思义，自适应锁就是上面两种的结合。当线程尝试申请锁，会自动根据拥有锁的线程繁忙或sleep来选择是busy wait还是sleep。这种锁只有Solaris内核提供，Linux上未见有相关描述。

几种锁的性能比较(Windows操作系统下，第一种类似atomic_inc, 2,3类似spinlock, 4,5类似semaphore)

 

(图片来源：Intel Software Network)

Java synchronization

再理论联系实际一下，看Java中的锁底层如何实现的。这篇关于JVM的Thin Lock, Fat Lock, SPIN Lock与Tasuki Lock中讲到Java synchronization实际上也是一种自适应锁。

于是，JVM早期版本的做法是，如果T1, T2，T3，T4…产生线程竞争，则T1通过CAS获得锁(此时是Thin Lock方式)，如果T1在CAS期间获得锁，则T2，T3进入SPIN状态直到T1释放锁；而第二个获得锁的线程，比如T2，会将锁升级（Inflation）为Fat Lock，于是，以后尝试获得锁的线程都使用Mutex方式获得锁。

Java AtomicInteger的实现，似乎和Solaris的实现非常类似，也是一个busy wait的方式

   /**
     * Atomically increments by one the current value.
     *
     * @return the updated value
     */
    public final int incrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

    /**
     * Atomically sets the value to the given updated value
     * if the current value {@code ==} the expected value.
     *
     * @param expect the expected value
     * @param update the new value
     * @return true if successful. False return indicates that
     * the actual value was not equal to the expected value.
     */
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        // unsafe.compareAndSwapInt是用本地代码实现
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

Solaris

感觉OpenSolaris在很多地方要比Linux优秀，Solaris在理论设计和实践上都非常优雅，而Linux内核很多地方似乎更偏工程实践方向一些。另外Solaris用来做学习操作系统更合适，它的mdb几乎无所不能。

我在VirtualBox虚拟机上安装了OpenSolaris，非常容易安装，使用这个Minimal OpenSolaris Appliance OVF image for VirtualBox 2.2 简易方法，安装一个没有gui的版本，大约3分钟以内就可以装好。OpenSolaris安装软件和Ubuntu一样方便，使用 pkg install SUNWxxx 的命令，比如 pkg install SUNWcurl