Synchronization mechanism

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同步机制与原理

进程、线程的同步

先说结论：线程之间的叫同步，进程之间的叫通信。

对于进程来说，由于进程能够通信就意味是同步机制，所以先来说一下进程的同步机制：

  • 信号量：用来实现进程间的同步与互斥，但不能存储通信数据；
  • 消息队列：由链表，存放在内核中并由消息队列标识符标识。
  • 共享内存：能实现内存被多个进程共享；
  • 管道(pipe)：半双工的通信方式，单向通信，而且只能在具有亲缘关系的进程间通信；
  • 命名管道：同样半双工，但允许非亲缘关系的进程通信；
  • 信号：通知某个进程事件的发生；
  • 套接字

由于进程有独立的地址空间，所以一般不会有互斥锁这些锁机制，除非是像文件锁这种大锁。而在这种情况下，由于线程共享同一进程下的内存空间，就会有锁机制来保证同步。

而对于线程来讲，主要的同步机制有以下几种：互斥锁，信号量，临界区，条件变量。

同步原理

互斥锁

互斥锁是一种时间和空间代价都比较低廉的，实现对资源互斥访问的手段。主要有两种状态：lock & unlock。

当一个线程想要进入临界区操作数据的时候会尝试给它加锁，如果锁已经处于unlock状态，该线程就会被阻塞，直到锁被释放。

条件变量

与互斥锁不同的是，条件变量是自动阻塞进程进入等待状态而不是用来上锁，它会等待某个信号的接收。

通常来说会用互斥锁来保护条件变量，避免多线程竞争条件变量。

另外，互斥锁和条件变量结合可以解决一个互斥锁的问题，就是避免互斥锁频繁地被线程进行加锁和释放锁。

信号量

信号量也是用来保护互斥区的。信号量是一个特殊的变量，程序对信号量的访问都是原子操作的，并且只允许对其进行两种操作P和V。

虽然信号量使得共享资源在一个时间内只有一个线程能够使用，这是二值信号量，但往往，我们可以使用计数信号量，来表明最多允许有多少个持有者。

内核信号量的原型：

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#include<include\linux\semaphore.h>
struct semaphore
{
　　 atomic_t count;
　　 int sleepers;
　　 wait_queue_head_t wait;
}

与自旋锁不同的是，自旋锁会不断轮询锁的状态，而信号量会因为任务想要的信号量被占用了，只能进入等待队列，并进入睡眠状态（这时处理器可以去处理其它操作）。

所以信号量适用于锁会被长期占用的状态。