FreeBSD 系统结构手册
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# 8.2 基本工具与上锁的基础知识

## 8.2.1 原子操作指令和内存栅

关于内存栅和原子操作指令已经有很多介绍材料， 因此这一节并不打算对其进行详尽的介绍。 简而言之， 如果有对某一变量上写锁， 就不能在不获得相应的锁时对其进行读取操作。 也就是说， 内存栅的作用在于保证内存操作的相对顺序， 但并不保证内存操作的严格时序。 换言之， 内存栅并不保证 CPU 将本地快取缓存或存储缓冲的内容刷写回内存， 而是在锁释放时确保其所保护的数据， 对于能看到刚释放的那个锁的 CPU 或设备可见。 持有内存栅的 CPU 可以在其快取缓存或存储缓冲中将数据保持其所希望的、 任意长的时间， 但如果其它 CPU 在同一数据元上执行原子操作， 则第一个 CPU 必须保证， 其所更新的数据值， 以及内存栅所要求的任何其它操作， 对第二个 CPU 可见。

例如， 假设在一简单模型中， 认为在主存 (或某一全局快取缓存) 中的数据是可见的， 当某一 CPU 上触发原子操作时， 其它 CPU 的存储缓冲和快取缓存就必须对同一快取缓存线上的全部写操作， 以及内存栅之后的全部未完成操作进行刷写。

这样一来， 在使用由原子操作保护的内存单元时就需要特别小心。 例如， 在实现 sleep mutex 时， 我们就必须使用 `atomic_cmpset` 而不是 `atomic_set` 来打开 `MTX_CONTESTED` 位。 这样做的原因是， 我们需要把 `mtx_lock` 的值读到某个变量， 并据此进行决策。 然而， 我们读到的值可能是过时的， 也可能在我们进行决策的过程中发生变化。 因此， 当执行 `atomic_set` 时， 最终可能会对另一值进行置位， 而不是我们进行决策的那一个。 这就必须通过 `atomic_cmpset` 来保证只有在我们的决策依据是最新的时， 才对相应的变量进行置位。

最后， 原子操作只允许一次更新或读一个内存单元。 需要原子地更新多个单元时， 就必须使用锁来代替它了。 例如， 如果需要更新两个相互关联的计数器时， 就必须使用锁， 而不是两次单独的原子操作了。

## 8.2.2 读锁与写锁

读锁并不需要像写锁那样强。 这两种类型的锁， 都需要确保通过它们访问的不是过时的数据。 然而， 只有写操作必须是排他的， 而多个线程则可以安全地读同一变量的值。 使用不同类型的锁用于读和写操作有许多各自不同的实现方式。

第一种方法是用 sx 锁， 它可以用于实现写时使用的排他锁， 而读时则作为共享锁。 这种方法十分简单明了。

第二种方法则略显晦涩。 可以用多个锁来保护同一数据元。 读时， 只需锁其中的一个读锁即可。 然而， 如果要写数据的话， 则需要首先上所有的写锁。 这会大大提高写操作的代价， 但当可能以多种方式访问数据时却可能非常有用。 例如， 父进程指针是同时受 `proctree_lock` sx 锁和进程 mutex 保护的。 在只希望检查已锁进程的父进程时， 用 proc 锁更为方便。 但是， 其它一些地方， 例如 `inferior` 这类需要通过父指针在进程树上进行搜索， 并对每个进程上锁的地方就不能这样做了， 否则， 将无法保证在对我们所获得的结果执行操作时， 之前检查时的状况依旧有效。

## 8.2.3 上锁状态和结果

如果您需要使用锁来保持所检查变量的状态， 并据此执行某些操作时， 是不能仅仅在读变量之前对其上锁， 并在执行操作之前解锁的。 过早解锁将使变量再次可变， 这可能会导致之前所做的决策失效。 因此， 在所做检测引发的动作结束之前， 必须继续保持上锁状态。

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