Linux カーネルでミューテックス ロック、読み取り/書き込みロック、スピン ロック、セマフォを選択するにはどうすればよいですか?

＃＃＃＃＃＃I.はじめに＃＃＃＃＃＃

Linux カーネルにはさまざまな種類のロックがあり、そのすべてを使用して重要なリソースを保護し、複数のスレッドまたはプロセス間の競合状態を回避し、それによってシステムの安定性と信頼性を保護できます。これらのロックのタイプには、ミューテックス ロック (mutex)、読み取り/書き込みロック (

rwlock

)、スピン ロック (spinlock)、およびセマフォ () が含まれます。セマフォ＃＃＃）。今日は、Linux カーネルのさまざまなロックと、実際のプロジェクトで使用するロックを選択する方法を紹介します。

2. いくつかのタイプのロックの紹介

ミューテックス ロック (mutex)

は、共有リソースを保護して、特定の時点で 1 つのスレッドまたはプロセスのみがアクセスできるようにする、一般的に使用されるロックです。読み取り/書き込みロック (

rwlock) を使用すると、複数のスレッドまたはプロセスが共有リソースを同時に読み取ることができますが、1 つのスレッドまたはプロセスのみが共有リソースに書き込むことができます。スピン ロック (spinlock) を使用すると、共有リソースを保護して、特定の時間に 1 つのスレッドまたはプロセスのみがアクセスできるようにすることができますが、ロックが取得されるまでスレッドまたはプロセスが「スピン」します。 。最後に、セマフォ (semaphore) を使用して共有リソースへのアクセスを制御し、他のスレッドまたはプロセスが共有リソースに安全にアクセスできるようにすることができます。 読み取り/書き込みロック (rwlock)

は、共有リソースへのマルチスレッド アクセスを制御するために使用される同期メカニズムです。スレッドが共有リソースを読み取る必要がある場合、他のスレッドが競合することなく同時にリソースを読み取ることができるように、読み取りロックを取得できます。スレッドが共有リソースに書き込む必要がある場合、他のスレッドがリソースにアクセスできないように書き込みロックを取得することで、データの整合性と一貫性を確保できます。

スピン ロック (spinlock)

は、マルチスレッド同期の問題を解決するために使用されるシンプルで効果的なロックです。これは、マルチスレッド環境で共有リソースを保護し、複数のスレッドが同時にリソースにアクセスできないようにする排他ロックです。スピン ロックの基本原理は、スレッドがロックを取得しようとすると、成功するまでロックの取得を試行し続けるというものです。この間、スレッドはスリープ状態にはならず、常にビジー待機 (

busy-waiting) 状態になります。これがスピン ロックの名前の由来です。 <p><strong>セマフォ (<code style="font-size: 14px;padding: 2px 4px;border-radius: 4px;margin: 0 2px;font-family: Operator Mono, Consolas, Monaco, Menlo, monospace;color: #10f5d6c">semaphore) は、一般的に使用される同期メカニズムであり、共有リソースへの複数のスレッドのアクセスを制御するために使用できます。これにより、一度に 1 つのスレッドだけが共有リソースにアクセスできるようになり、リソースの競合や競合が回避されます。セマフォは、利用可能なリソースの量を追跡するために使用される整数カウンターです。スレッドが共有リソースにアクセスする必要がある場合、最初にセマフォを取得する必要があります。これにより、セマフォのカウンタが 1 だけデクリメントされ、共有リソースへのアクセスが完了したら、他のスレッドがアクセスできるようにセマフォを解放する必要があります。共有リソースにもアクセスできます。

4. ミューテックスロック (Mutex)

Mutex ロックは最も基本的なロック タイプであり、カーネルで広く使用されています。これは、同時に 1 つのスレッドのみが保持できるバイナリ ロックです。スレッドがロックを要求したときに、そのロックがすでに占有されている場合、スレッドはロックが解放されるまでブロックされます。ミューテックス ロックの実装ではアトミック操作が使用されるため、パフォーマンスは比較的高くなりますが、デッドロック状況が発生しやすくなります。

カーネルでは、ミューテックス ロックは次のように定義されます:

リーリー

ミューテックス ロックの使用は非常に簡単で、通常は 2 つの関数を呼び出すだけで済みます。

リーリー

5. リーダー/ライターのロック

読み取り/書き込みロックは、複数のスレッドが同時に共有リソースを読み取ることを許可しますが、共有リソースへの書き込みを許可するのは 1 つのスレッドのみである特殊なタイプのロックです。読み取り/書き込みロックの実装では、2 つのカウンターを使用して、現在ロックを保持している読み取りスレッドの数と書き込みスレッドの数を記録します。

カーネルでは、読み取り/書き込みロックは次のように定義されます:

リーリー

読み取り/書き込みロックの使用も比較的簡単で、通常は 3 つの関数を呼び出すだけで完了します。 リーリー

6.スピンロック

スピン ロックは共有リソースを保護するロックで、待機中に CPU を占有します。スピン ロックは、コードのクリティカル セクションが比較的小さく、共有リソースの排他時間が比較的短い状況に適しているため、コンテキスト切り替えのオーバーヘッドを回避できます。スピン ロックはスリープ中常に CPU を占有するため、スリープを必要とするコードの重要なセクションではスピン ロックを使用できません。

Linux カーネルでは、スピン ロックは

spinlock_t タイプで表され、spin_lock() および spin_unlock() 関数を通じて操作できます。 リーリー

スピン ロックを使用する場合は、次の点に注意する必要があります。

• 自旋锁只适用于临界区代码比较短的情况，因为自旋等待的过程会占用CPU资源。
• 自旋锁不可重入，也就是说，如果一个进程已经持有了自旋锁，那么它不能再次获取该自旋锁。
• 在持有自旋锁的情况下，应该尽量避免调用可能会导致调度的内核函数，比如睡眠函数，因为这可能会导致死锁的发生。
• 在使用自旋锁的时候，应该尽量避免嵌套使用不同类型的锁，比如自旋锁和读写锁，因为这可能会导致死锁的发生。
• 当临界区代码较长或者需要睡眠时，应该使用信号量或者读写锁来代替自旋锁。

七、信号量（semaphore）

信号量是一种更高级的锁机制，它可以控制对共享资源的访问次数。信号量可分为二元信号量和计数信号量。二元信号量只有0和1两种状态，常用于互斥锁的实现；计数信号量则可以允许多个进程同时访问同一共享资源，只要它们申请信号量的数量不超过该资源所允许的最大数量。

在Linux内核中，信号量使用struct semaphore结构表示，可以通过down()和up()函数对其进行操作。

void sema_init(struct semaphore *sem, int val)：初始化一个信号量，val参数表示初始值。
void down(struct semaphore *sem)：尝试获取信号量，如果信号量值为 0，调用进程将被阻塞。
int down_interruptible(struct semaphore *sem)：尝试获取信号量，如果信号量值为 0，调用进程将被阻塞，并可以被中断。
int down_trylock(struct semaphore *sem)：尝试获取信号量，如果信号量值为 0，则立即返回，否则返回错误。
void up(struct semaphore *sem)：释放信号量，将信号量的值加 1，并唤醒可能正在等待信号量的进程。

八、该如何选择正确的锁

当需要对共享资源进行访问和修改时，我们通常需要采用同步机制来保证数据的一致性和正确性，其中锁是最基本的同步机制之一。不同类型的锁适用于不同的场景。

互斥锁适用于需要保护共享资源，只允许一个线程或进程访问共享资源的场景。例如，当一个线程正在修改一个数据结构时，其他线程必须等待该线程释放锁后才能修改该数据结构。

读写锁适用于共享资源的读写操作频繁且读操作远大于写操作的场景。读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。例如，在一个数据库管理系统中，读取操作比写入操作频繁，使用读写锁可以提高系统的并发性能。

自旋锁适用于保护共享资源的访问时间很短的场景，当线程需要等待的时间很短时，自旋锁比互斥锁的性能更好。例如，在访问共享资源时需要进行一些简单的操作，如对共享资源进行递增或递减等操作。

信号量适用于需要协调多个线程或进程对共享资源的访问的场景，允许多个线程或进程同时访问共享资源，但同时访问的线程或进程数量有限。例如，在一个并发下载系统中，可以使用信号量来限制同时下载的文件数量。

举个生活中的例子：当我们在买咖啡的时候，柜台前可能会有一个小桶，上面写着“请取走您需要的糖果，每人一颗”这样的字样。这个小桶就是一个信号量，它限制了每个人能够取走的糖果的数量，从而保证了公平性。

如果我们把这个小桶换成互斥锁，那么就可以只允许一个人在柜台前取走糖果。如果使用读写锁，那么在非高峰期的时候，多个人可以同时取走糖果，但在高峰期时只允许一个人取走。

そして、この樽をスピンロックに置き換えると、誰かがキャンディを持ち去ろうとしているとき、他の人はキャンディが持ち去られるまでそこで待つ必要があります。他の人がもっと緊急の対応をしなければならない可能性があるため、時間の無駄につながる可能性があります。

9. 概要

Linux カーネルには、ミューテックス ロック、読み取り/書き込みロック、スピン ロック、セマフォの 4 つの一般的なロックがあります。これらのロックはさまざまなシナリオに適しており、開発者は同時アクセスの正確さとパフォーマンスを確保するために、実際の状況に基づいて適切なロックを選択する必要があります。

以上がLinux カーネルでミューテックス ロック、読み取り/書き込みロック、スピン ロック、セマフォを選択するにはどうすればよいですか?の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。