《内核中同步》课件

2023REPORTING《内核中同步》ppt课件2023•同步的基本概念•内核中的同步机制目录•同步机制的实现原理•同步机制的使用场景和注意事项CATALOGUE•内核中同步机制的性能比较和优化建议2023REPORTINGPART01同步的基本概念什么是同步同步是操作系统内核中的一个重在并发环境中，由于多个进程或同步通过协调进程或线程的执行要概念，用于协调和管理多个进线程可能同时访问共享资源，因顺序和资源访问时间来实现，以程或线程之间的执行顺序和资源此需要同步机制来避免冲突和数确保系统的正确性和可靠性访问据不一致性问题同步的重要性同步是保证并发程序正确性的关键机制之一在多线程或多进程环境中，如果没有适当的同步措施，可能会导致数据不一致、死锁、竞态条件等问题通过同步机制，可以确保对共享资源的正确访问和避免冲突，从而保证程序的正确性和可靠性同步的分类01020304互斥同步信号量同步条件变量同步读写锁同步通过互斥方式实现资源访问的使用信号量作为同步工具，通允许线程之间进行条件等待和允许多个线程同时读取共享资排他性，即同一时刻只允许一过信号量的值来控制对共享资通知，以协调线程之间的执行源，但在写入时则需要独占式个进程或线程访问共享资源源的访问顺序的访问权限2023REPORTINGPART02内核中的同步机制信号量01020304它提供了一种机制，使如果信号量的值为0，则信号量是一种计数器，信号量可以是有界的或得线程或进程在访问共线程或进程必须等待，用于控制多个线程或进无界的，具体取决于实享资源之前必须先获取直到其他线程或进程释程对共享资源的访问现信号量放信号量互斥锁互斥锁是一种同步机制，用于当一个线程或进程获得互斥锁互斥锁通常用于保护临界区，防止多个线程或进程同时访问时，其他线程或进程必须等待，确保同一时间只有一个线程或共享资源直到该线程或进程释放互斥锁进程可以执行受保护的代码段条件变量01020304条件变量是一种同步机制，允当条件不满足时，线程或进程条件变量通常与互斥锁一起使当条件满足时，等待的线程或许线程或进程等待某个条件成可以阻塞并等待其他线程或进用，以确保在更改条件时不会进程将被唤醒并继续执行立程更改条件发生竞态条件读写锁读写锁是一种同步机制，允许多当一个线程或进程想要写入共享读写锁可以提高并发性能，特别个线程或进程同时读取共享资源，资源时，它必须获得独占式的访是在读操作远多于写操作的情况但在写入时则需要独占式的访问问权，此时其他读取线程或进程下可以继续读取，但不能写入2023REPORTINGPART03同步机制的实现原理信号量的实现原理信号量是一个整数值，通常用于保护共享资源，确保在任何时刻只有一个线程可以访问共享资源信号量的实现通常包括两个操作P（proberen，尝试）和V（verhogen，增加）P操作会尝试减少信号量的值，如果为0则线程阻塞；V操作会增加信号量的值，并唤醒等待的线程信号量的实现通常涉及到内核调度和线程管理，需要谨慎处理并发和死锁等问题互斥锁的实现原理互斥锁的实现通常包括两个操作lock（加锁）和unlock（解锁）当一个线程想要访问共享资源时，必须先获取互斥锁，如果锁已经被其他线程持有，则该线程会被阻塞当线程释放互斥锁时，其他等待的线程会被唤醒互斥锁是一种同步机制，用于保护共享资源，确保在互斥锁的实现需要谨慎处理死锁和饥饿等问题，通常任何时刻只有一个线程可以访问共享资源需要提供超时机制和锁升级等机制条件变量的实现原理条件变量的实现需要谨慎处理虚条件变量的实现通常包括两个操作假唤醒和死锁等问题，通常需要wait（等待）和signal（通知）当一个线程想要访问共享资源时，如果提供循环等待和自旋锁等机制条件变量是一种同步机制，用于条件不满足，则调用wait操作将自己实现线程之间的条件等待和通知阻塞，并释放所持有的互斥锁当其他线程改变了条件并调用signal操作时，等待的线程会被唤醒并重新获取互斥锁读写锁的实现原理读写锁是一种同步机制，用于保护共享读写锁的实现通常包括四个操作读写锁的实现需要谨慎处理死锁和饥饿资源，允许多个线程同时读取共享资源，read_lock（读锁）、write_lock（写等问题，通常需要提供优先级继承和写但在写入时则需要独占式的访问锁）、read_unlock（读解锁）和者优先等策略write_unlock（写解锁）读锁可以同时被多个线程获取，写锁只能被一个线程获取，且写锁是独占式的2023REPORTINGPART04同步机制的使用场景和注意事项信号量的使用场景和注意事项010203使用场景

1.死锁

2.优先级反转信号量常用于多线程或多避免死锁是使用信号量的信号量可能会导致优先级进程环境，用于控制对共关键，应确保所有线程或反转问题，需要谨慎处理享资源的访问进程在等待资源时都有一定的时间限制互斥锁的使用场景和注意事项使用场景

1.死锁

2.性能开销互斥锁主要用于保护临界互斥锁可能会导致死锁，互斥锁有较大的性能开销，区，确保同一时间只有一特别是在嵌套锁或循环等应尽量避免不必要的锁定个线程或进程可以访问待的情况下条件变量的使用场景和注意事项使用场景

2.避免忙等待条件变量用于线程间的条件等待，允条件变量应与互斥锁结合使用，避免许一个或多个线程等待某个条件成立产生忙等待

1.虚假唤醒条件变量可能会发生虚假唤醒，需要在使用时进行处理读写锁的使用场景和注意事项

1.写者优先在有写操作等待时，其他读操作和使用场景写操作都需要等待读写锁适用于读操作频繁、写操作较少的场景，允许多个线程同时读取共享资源

2.升级锁从读锁升级到写锁可能需要特殊的处理，以避免死锁2023REPORTINGPART05内核中同步机制的性能比较和优化建议各种同步机制的性能比较信号量（Semaphore）的性能信号量是一种常用的同步机制，用于控制对共享资源的访问在内核中，信号量的性能取决于多个因素，如信号量的使用方式、系统负载、并发线程数量等在某些情况下，信号量可能会导致性能下降，因为它们需要维护一个全局的计数器，这会增加上下文切换和系统调用的开销各种同步机制的性能比较自旋锁（spinlock）的性能自旋锁是一种轻量级的同步机制，用于保护共享资源与信号量相比，自旋锁的性能通常更好，因为它们不需要进行上下文切换然而，自旋锁的性能也取决于多个因素，如锁的竞争程度、CPU架构和操作系统调度策略等在高度并发的系统中，自旋锁可能导致性能问题，因为它们会导致处理器资源浪费各种同步机制的性能比较读写锁（read-write lock）的性能读写锁是一种特殊的同步机制，用于支持多个读线程和最多一个写线程读写锁的性能取决于读线程和写线程之间的竞争程度在读线程竞争激烈的情况下，读写锁的性能通常优于信号量和自旋锁然而，在写线程竞争激烈的情况下，读写锁可能导致性能下降，因为它们需要维护多个锁状态和优先级同步机制的优化建议根据实际情况选择合适的同步机制在选择同步机制时，需要考虑系统的实际情况，如并发线程数量、共享资源的访问模式、系统负载等在某些情况下，自旋锁可能是更好的选择，而在其他情况下，信号量或读写锁可能更合适同步机制的优化建议避免过度同步过度同步可能导致性能下降和死锁等问题因此，应该避免在不需要的情况下使用同步机制如果多个线程可以并行执行而不需要访问共享资源，则应该让它们并行执行，而不是使用同步机制来限制它们的执行同步机制的优化建议使用低开销的同步原语在选择同步原语时，应该选择低开销的选项例如，使用原子操作代替互斥量可以减少上下文切换和系统调用的开销此外，应该避免在临界区内进行不必要的操作，以减少同步的开销2023REPORTINGTHANKS感谢观看。