[MIT 6.S081] Lec 10: Multiprocessors and locking 笔记

Lec 10: Multiprocessors and locking

• Ref: https://github.com/huihongxiao/MIT6.S081/tree/master/lec10-multiprocessors-and-locking
• Preparation: xv6 book Chapter 6

为什么需要锁

• 多核运行提升性能
• 共享数据同时读写会产生竞态条件(race condition)

锁对象

• API:
  • acquire(&lcok): 任何时间只有一个进程能获取锁
  • release(&lock): 释放锁, 其他进程需要等待至锁被释放才能获取.
• acquire 与 release 之间的代码片段称之为临界区, 代码片段整体执行具有原子性
• 通常操作系统会有多把锁, 使得不同系统调用使用不同的锁, 提高并行性.

使用锁的时机

如果两个进程访问了一个共享的数据结构, 并且其中一个进程会更新共享的数据结构, 那么就需要对这个共享数据结构加锁.
这一规则有时是严格的: 某些场景不加锁也可正常工作, 不加锁的程序称之为无锁编程(lock-free program).
有时又是宽松的, 对于一些非共享数据仍需要原子的输出, 如 printf() 的输出.

锁的作用

• 避免丢失更新
• 使得多步操作具有原子性
• 维护共享数据结构的不变性
  

死锁

• 重入引发的死锁: 一个进程获得锁进入临界区后又尝试获取同一个锁, 锁在非重入的情况下会引发死锁.
• deadly embrace: 多个进程持有多个锁, 彼此需要获取对方的锁
  一种解决方案: 对(共同使用的)锁排序, 按序获取锁

锁实现

一般借助硬件指令 test-and-set, 如 XV6 中的原子交换操作(Atomic Memory Swap) amoswap addr, r1, r2, 可以原子的将内存地址 addr 的值写入寄存器 r2, 将寄存器 r1 的值写入 addr.
注: store 指令不一定是原子操作.

  // On RISC-V, sync_lock_test_and_set turns into an atomic swap:
  // a5 = 1
  // s1 = &lk->locked
  // amoswap.w.aq a5, a5, (s1)
  while(__sync_lock_test_and_set(&lk->locked, 1) != 0)
    ;

如上是 XV6 自旋锁中的 test-and-set 操作, 若 lk->locked==0, 那么就写入 1 并返回 0, 循环退出, 表示获得到了锁. 若 lk->locked==1, 则同样是写入 1 但返回的也是 1, 则会继续循环, 直到 lk->locked 字段为 0 后能获取锁.
__sync_synchronize() 函数会生成 fence 指令进行内存屏障, 防止指令重排.
在 acquire 和 release 操作时都需要关闭中断, 防止原子操作被打断或出现锁重入情况.