并发与竞态

什么是并发呢？什么是竞态

并发就是同时存在多条能独立推进、且彼此不可预期对方进度的执行路径，这些路径对同一份状态拥有读写机会，从而带来“谁先谁后”的不确定性。这个不确定性可能会导致同一个时间对同一个资源的访问，这就是竞态。并发的价值在于“让事情看起来同时进行”，代价是“必须主动管理这些时间线之间的交叉点”，否则就会出现“字被盖掉”的竞态。并发是能力，竞态是 bug。

为了处理这个bug，我们就有保护这个资源，让他在一个时刻只能被一个人所用，当有人在拥有这个资源的使用权时，其他人不能使用，这就是锁。

我们要建立临界区: 即在任意给定时刻，代码只能被一个线程执行。

信号量

用计算机语言说：
信号量 = 一个整型计数器 + 两条原子操作
• P / wait / down：计数器减 1；若结果 < 0，则阻塞（去睡觉）。
• V / signal / up：计数器加 1；若结果 ≤ 0，则唤醒一个等待者。

计数器可以为任意非负初值，表示“可用资源数”。
N = 1 时退化为互斥锁（一次只能一个人）。
N > 1 时称为计数信号量，允许多个并发使用者。

操作信号量必须是原子的，加减判断的过程不能被打断。当资源暂时不可得时，线程可以睡眠（与自旋锁不同）。

在当前6.10+的内核中，信号量是这样实现的：

/* include/linux/semaphore.h */
struct semaphore {
    raw_spinlock_t      lock;   /* 保护内部字段的原子自旋锁 */
    unsigned int        count;  /* 当前可用资源数（负值表示等待者个数） */
    struct list_head    wait_list; /* 等待队列，链表元素是 struct semaphore_waiter */
};

想用信号量，肯定要先初始化的啦。分为静态初始化和动态运行期初始化

#include <linux/semaphore.h>

//静态
/* 宏函数 声明并初始化一个计数信号量*/
DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(my_sem, 3);
/* 计数初值 = 1，相当于二值锁 */
static DEFINE_SEMAPHORE(my_sem);
/* 或者自己指定初值 */
static struct semaphore my_sem = __SEMAPHORE_INITIALIZER(my_sem, 4);


//动态
struct semaphore my_sem;
sema_init(&my_sem, 3);   /* 允许 3 个并发持有者 */

初始化值后就是要用，自然要先了解一下用的逻辑：

核心算法：睡眠/唤醒计数器

(1) 获取（down）
- 如果 count > 0，直接减 1 后返回。
- 否则将当前任务封装成 semaphore_waiter 插入 wait_list，设置状态为 TASK_UNINTERRUPTIBLE，然后 schedule() 睡眠。
- 被唤醒后再次检查 count，成功则减 1 退出，否则继续睡眠。

(2) 释放（up）
- 原子地将 count 加 1。
- 如果加 1 后仍 ≤0，说明有等待者，从 wait_list 摘取第一个 waiter，将其唤醒（wake_up_process）。

具体流程：

• 初始 count = 3
down → 2 → 1 → 0，都直接返回；
第 4 次 down 时 count = 0，于是把任务挂起并把 count 设为 -1；
第 5 次 down 时 count = -1，再挂一个任务并把 count 设为 -2；
……
此时 count == -n 就说明有 n 个等待者。

• up() 时把 count++：
如果加完后 count 仍是负数（≤0），说明还有人在睡觉，于是唤醒链表头的一个任务；
被唤醒的任务重新尝试 down()，把 count 再减 1——于是 count 从 -1 变 0，或从 0 变 1，依此类推。

api:

接口	说明
void down(struct semaphore *sem)	不可中断睡眠，直到获得
int down_interruptible(struct semaphore *sem)	可中断版本，返回 -EINTR
int down_killable(struct semaphore *sem)	可被致命信号打断
int down_trylock(struct semaphore *sem)	不睡眠，立即返回 0/-EAGAIN
void up(struct semaphore *sem)	释放资源，唤醒等待者

烦了，信号量的知识看linux内核设计与实现的笔记去。

这里只讲咋用。

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