透过 Linux 内核看无锁编程(3)

Linux 内核中的无锁分析

Linux 内核可能是当今最大最复杂的并行程序之一,它的并行主要来至于中断、内核抢占及 SMP 等。内核设计者们为了不断提高 Linux 内核的效率,从全局着眼,逐步废弃了大内核锁来降低锁的粒度;从细处下手,不断对局部代码进行优化,用无锁编程替代基于锁的方案,如 seqlock 及 RCU 等;不断减少锁冲突程度、降低等待时间,如 Double-checked locking 和原子锁等。

内核无锁第一层级 — 少锁

无论什么时候当临界区中的代码仅仅需要加锁一次,同时当其获取锁的时候必须是线程安全的,此时就可以利用 Double-checked Locking 模式来减少锁竞争和加锁载荷。目前 Double-checked Locking 已经广泛应用于单例 (Singleton) 模式中。内核设计者基于此思想,巧妙的将 Double-checked Locking 方法运用于内核代码中。

当一个进程已经僵死,即进程处于 TASK_ZOMBIE 状态,如果父进程调用 waitpid() 系统调用时,父进程需要为子进程做一些清理性的工作,代码如下所示:


清单 3. 少锁操作
984 static int wait_task_zombie(task_t *p, int noreap, 985 struct siginfo __user *infop, 986 int __user *stat_addr, struct rusage __user *ru) 987 { …… 1103 if (p->real_parent != p->parent) { 1104 write_lock_irq(&tasklist_lock); 1105 /* Double-check with lock held. */ 1106 if (p->real_parent != p->parent) { 1107 __ptrace_unlink(p); 1108 // TODO: is this safe? 1109 p->exit_state = EXIT_ZOMBIE; …… 1120 } 1121 write_unlock_irq(&tasklist_lock); 1122 } …… 1127 }  

如果将 write_lock_irq 放置于 1103 行之前,锁的范围过大,锁的负载也会加重,影响效率;如果将加锁的代码放到判断里面,且没有 1106 行的代码,程序会正确吗?在单核情况下是正确的,但在双核情况下问题就出现了。一个非主进程在一个 CPU 上运行,正准备调用 exit 退出,此时主进程在另外一个 CPU 上运行,在子进程调用 release_task 函数之前调用上述代码。子进程在 exit_notify 函数中,先持有读写锁 tasklist_lock,调用 forget_original_parent。主进程运行到 1104 处,由于此时子进程先持有该锁,所以父进程只好等待。在 forget_original_parent 函数中,如果该子进程还有子进程,则会调用 reparent_thread(),将执行 p->parent = p->real_parent; 语句,导致两者相等,等非主进程释放读写锁 tasklist_lock 时,另外一个 CPU 上的主进程被唤醒,一旦开始执行,继续运行将会导致 bug。

严格的说,Double-checked locking 不属于无锁编程的范畴,但由原来的每次加锁访问到大多数情况下无须加锁,就是一个巨大的进步。同时从这里也可以看出一点端倪,内核开发者为了降低锁冲突率,减少等待时间,提高运行效率,一直在持续不断的进行改进。

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