Роберт Лав - Разработка ядра Linux

Ясно, что финансовые учреждения считают своим долгом гарантировать, чтобы такой ситуации не могло возникнуть никогда. Необходимо блокировать счет во время выполнения некоторых операций, чтобы гарантировать атомарность транзакций по отношению к другим транзакциям. Такие транзакции должны полностью выполняться не прерываясь или не выполняться совсем.

Теперь рассмотрим пример, связанный с компьютерами. Пусть у нас есть очень простой совместно используемый ресурс: одна глобальная целочисленная переменная и очень простой критический участок — операция инкремента значения этой переменной:

i++

Это выражение можно перевести в инструкции процессора следующим образом.

Загрузить текущее значение переменной iиз памяти в регистр.

Добавить единицу к значению, которое находится в регистре.

Записать новое значение переменной iобратно в память.

Теперь предположим, что есть два потока, которые одновременно выполняют этот критический участок, и начальное значение переменной iравно 7. Результат выполнения будет примерно следующим (каждая строка соответствует одному интервалу времени ).

Поток 1 Поток 2

получить значение iиз памяти (7)-

увеличить iна 1 (7->8) -

записать значение iв память (8) -

- получить значение iиз памяти (8)

- увеличить iна 1 (8->9)

- записать значение iв память (9)

Как и ожидалось, значение переменной i, равное 7, было увеличено на единицу два раза и стало равно 9. Однако возможен и другой вариант.

Поток 1 Поток 2

получить значение iиз памяти (7)-

- получить значение iиз памяти (7)

увеличить iна 1 (7->8) -

- увеличить iна 1 (7->8)

записать значение iв память (8) -

- записать значение iв память (8)

Если оба потока выполнения прочитают первоначальное значение переменной iперед тем, как оно было увеличено на 1, то оба потока увеличат его на единицу и запишут в память одно и то же значение. В результате переменная iбудет содержать значение 8, тогда как она должна содержать значение 9. Это один из самых простых примеров критических участков. К счастью, решение этой проблемы простое — необходимо просто обеспечить возможность выполнения всех рассмотренных операций за один неделимый шаг. Для большинства процессоров есть машинная инструкция, которая позволяет атомарно считать данные из памяти, увеличить их значение на 1 и записать обратно в память, выделенную для переменной. Использование такой инструкции позволяет решить проблему. Возможно только два варианта правильного выполнения этого кода — следующий.

Поток 1 Поток 2

увеличить iна 1 (7->8)-

- увеличить iна 1 (8->9)

Или таким образом.

Поток 1 Поток 2

- увеличить iна 1 (7->8)

увеличить iна 1 (8->9)-

Две атомарные операции никогда не могут перекрываться. Процессор на физическом уровне гарантирует это. Использование такой инструкции решает проблему. Ядро предоставляет несколько интерфейсов, которые позволяют реализовать атомарные операции. Эти интерфейсы будут рассмотрены в следующей главе.

Теперь давайте рассмотрим более сложный пример конкуренции за ресурсы, который требует более сложного решения. Допустим, что у нас есть очередь запросов, которые должны быть обработаны. Как реализована очередь — не существенно, но мы будем считать, что это — связанный список, в котором каждый узел соответствует одному запросу. Очередью управляют две функции: одна— добавляет новый запрос в конец очереди, а другая — извлекает запрос из головы очереди и делает с ним нечто полезное. Различные части ядра вызывают обе эти функции, поэтому запросы могут постоянно поступать, удаляться и обрабатываться. Все манипуляции очередью запросов, конечно, требуют нескольких инструкций. Если один из потоков пытается считывать данные из очереди, а другой поток находится в средине процесса манипуляции очередью, то считывающий поток обнаружит, что очередь находится в несогласованном состоянии. Легко понять, что при конкурентном обращении к очереди может произойти разрушение структуры данных. Часто ресурс общего доступа — это сложная структура данных, и в результате состояния конкуренции возникает разрушение этой структуры.