内核P-V原语如何让Linux内核获取信号量？

2023-12-06 03:32:57

Linux内核中，进程和虚拟机（VM）共享相同的物理资源，这使得保护这些资源并确保它们不会被并发访问至关重要。P-V（进程-虚拟机）原语提供了一种机制，可以让内核获取信号量，从而强制执行排他访问并防止竞争条件。本文将深入探究P-V原语的工作原理，并演示它们如何在Linux内核中实现并发控制。

P-V原语概述

P-V原语是一组特殊指令，用于获取和释放信号量。信号量是一种同步机制，用于表示可用的资源数量。当进程或VM试图访问共享资源时，它必须首先获取信号量。如果信号量不可用，则进程或VM必须等待，直到信号量被释放为止。

P-V原语包括两个基本操作：

P（获取）操作： 如果信号量值大于0，则递减信号量值并继续执行。否则，进程或VM必须等待，直到信号量可用。
V（释放）操作： 将信号量值加1，表示资源已不再被使用。

Linux内核中的P-V原语实现

Linux内核使用原子操作来实现P-V原语。原子操作是一系列不可中断的指令，保证操作的完整性。内核通过原子比较并交换（CAS）指令来实现信号量获取。

CAS指令接受三个参数：

内存地址（指向信号量）
预期值（信号量当前值）
新值（信号量新值）

CAS指令检查内存地址处的当前值是否与预期值匹配。如果匹配，则将内存地址处的值更新为新值并返回true。否则，CAS指令将不更新内存地址处的值并返回false。

内核使用CAS指令来实现P操作：

bool P(spinlock_t *lock) {
  unsigned long new_lock;

  do {
    new_lock = lock->val;
  } while (unlikely(cmpxchg(&lock->val, new_lock, new_lock + 1) != new_lock));

  return true;
}

此代码片段首先获取信号量的当前值（new_lock）。然后，它使用CAS指令尝试将信号量值原子地递增1。如果CAS指令成功，则说明信号量可用，进程或VM可以继续执行。否则，进程或VM必须等待。

内核使用lock函数来释放信号量：

void V(spinlock_t *lock) {
  unsigned long new_lock;

  do {
    new_lock = lock->val;
  } while (unlikely(cmpxchg(&lock->val, new_lock, new_lock - 1) != new_lock));
}