內核同步機制

關于同步理論的一些基本概念

• 臨界區（critical area）: 訪問或操作共享數據的代碼段
  簡單理解：synchronized大括號中部分（原子性）
• 競爭條件（race conditions）兩個線程同時擁有臨界區的執行權
• 數據不一致：data unconsistency 由競爭條件引起的數據破壞
• 同步（synchronization）避免race conditions
• 鎖：鎖是完成同步的手段（門鎖，門后是臨界區，只允許一個線程存在）
  上鎖解鎖必須具備原子性（如果連上鎖的過程都會被打斷的話，就沒有什么意義了）
• 原子性（象原子一樣不可分割的操作）
• 有序性（禁止指令重排）
• 可見性（一個線程內的修改，另一個線程可見）

互斥鎖 排他鎖 共享鎖 分段鎖

內核同步常用方法

了解一下Linux內核實現的一些同步方法，了解一些關于線程控制的理論知識，可以去印證Java層面的同步知識。
用的話要用C語言去調用。

原子操作 – Linux內核中提供了類似于 Java 中的 AtomicXXX 的原子操作，位于Linux內核源碼的頭文件<linux/types.h>，是從原語層面的支持，不需要實現CAS

自旋鎖 – 內核中通過匯編支持的CAS自旋鎖，位于<asm/spinlock.h>。

讀-寫自旋 – 類似于ReadWriteLock，可以同時讀，但只能一個寫
相當于：讀的時候是共享鎖，寫的時候是排他鎖

信號量 – 類似于Java中的Semaphore(PV操作，down up操作，就是占有鎖和釋放鎖）
是一個重量級鎖，線程會進入wait，適合長時間持有的鎖情況

讀-寫信號量 – downread upread downwrite upwrite
（多個寫，可以分段寫，比較少用）(分段鎖）

互斥體(mutex) – 特殊的信號量（二值信號量）

完成變量 – 特殊的信號量（A發出信號給B，B等待在完成變量上）
vfork() 在子進程結束時通過完成變量叫醒父進程 類似于(Latch)
在網絡編程中有完成端口(Completion Port)

BKL：大內核鎖 Big kernel lock（早期，現在已經不用）

順序鎖（內核版本2.6之后新增加的）： – 線程可以掛起的讀寫自旋鎖
序列計數器（從0開始，寫時增加(+1)，寫完釋放(+1)，讀線程不對計數器做任何操作）
寫的時候，不妨礙讀線程：
如果讀線程發現是偶數，說明在讀的時候沒有任何人改變過。
如果讀線程發現是奇數，說明你讀到的可能是中間狀態，你可以選擇繼續自旋，等待值變為偶數。
讀前讀后序列一樣，說明沒有寫線程打斷。

禁止搶占 – preempt_disable()：我這個線程在執行過程中，不允許任何線程打斷我。

內存屏障 – 見 volatile

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匯編實現引導程序

bootloader被寫死在磁盤上固定的扇區，啟動后被加載到內存張一個固定的位置。BIOS去這個位置執行第一條指令。

編寫匯編碼

將程序燒到軟盤上，用軟盤啟動，模擬啟動過程

; 文件名 boot.asmorg 7c00h ; BIOS讀入MBR后，從固定的0x7c00h處開始執行。因此引導程序一定要放在這個位置才能執行。; 下面部分和10h有關中斷，10h中斷用來顯示字符 ; 8086CPU 16位寄存器想用20位尋址，于是加了段寄存器。為了向后兼容，后來一直保留 mov ax, cs 下來。 mov es, ax mov ax, msg mov bp, ax ; ES:BP表示顯示字符串的地址 mov cx, msgLen ; CX存字符長度 mov ax, 1301h ; AH=13h表示向TTY字符終端顯示字符，AL=01h表示顯示方式（字符串是否包含顯示屬性，01h表示不包含） mov bx, 000fh ; BH=00h表示頁號第0頁，BL=0fh表示顏色白色 mov dl, 0 ; 表示位于第0列 int 10h ; 在上面這些固定的寄存器當中放好數據后，直接調用中斷函數即可msg: db "hello world, welcome to OS!" msgLen: equ $ - msg ; 字符串長度 times 510 - ($ - $$) db 0 ; 填充剩余部分 dw 0aa55h ; 魔數，必須有這兩個字節BIOS才確認是MBR，即主引導記錄（是裝有Linux系統的硬盤的第一個扇區）

編譯

nasm boot.asm -o boot.bin

制作啟動軟盤

dd if=/dev/zero of=floppy.img bs=1474560 count=1 生成空白軟盤鏡像

dd if=boot.bin of=myos.img bs=512 count=1 制作包含主引導記錄boot.bin的啟動鏡像文件

dd if=floppy.img of=myos.img skip=1 seek=1 bs=512 count=2879 在 bin 生成的鏡像文件后補上空白，成為合適大小的軟盤鏡像，一共2880個扇區，略過第一個

用軟盤啟動系統

將myos.img下載到windows

VMWare創建空的虛擬機
2.1 文件 - 創建新的虛擬機 - 典型
2.2 稍后安裝操作系統
2.3 其他
2.4 一路next 完成
2.5 虛擬機設置，去掉CD/DVD選項中“啟動時連接”
2.6 網絡，選擇“僅主機模式”，勾選“啟動時連接”（好像無所謂）
2.7 添加軟盤驅動器 使用軟盤映像 找到myos.img

啟動虛擬機

從此可以開始制作你的操作系統之旅。

為什么是從 0x7C00 開始？

IBM一開始就是這么設定的，后來為了兼容一直延續。參考：
https://www.glamenv-septzen.net/en/view/6

總結

以上是生活随笔為你收集整理的Java程序员需要掌握的计算机底层知识（五）：内核同步方法的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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