• 并發(fā) 是指在某一時(shí)間段內(nèi)能夠處理多個(gè)任務(wù)的能力，而 并行 是指同一時(shí)間能夠處理多個(gè)任務(wù)的能力。并發(fā)和并行看起來很像，但實(shí)際上是有區(qū)別的，如下圖（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）：

• 上圖的意思是，有兩條在排隊(duì)買咖啡的隊(duì)列，并發(fā)只有一架咖啡機(jī)在處理，而并行就有兩架的咖啡機(jī)在處理?？Х葯C(jī)的數(shù)量越多，并行能力就越強(qiáng)。

• 可以把上面的兩條隊(duì)列看成兩個(gè)進(jìn)程，并發(fā)就是指只有單個(gè)CPU在處理，而并行就有兩個(gè)CPU在處理。為了讓兩個(gè)進(jìn)程在單核CPU中也能得到執(zhí)行，一般的做法就是讓每個(gè)進(jìn)程交替執(zhí)行一段時(shí)間，比如讓每個(gè)進(jìn)程固定執(zhí)行 100毫秒，執(zhí)行時(shí)間使用完后切換到其他進(jìn)程執(zhí)行。而并行就沒有這種問題，因?yàn)橛袃蓚€(gè)CPU，所以兩個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)執(zhí)行。如下圖：

原子操作

• 上面介紹過，并發(fā)有可能會(huì)打斷當(dāng)前執(zhí)行的進(jìn)程，然后替切換成其他進(jìn)程執(zhí)行。如果有兩個(gè)進(jìn)程同時(shí)對(duì)一個(gè)共享變量 count 進(jìn)行加一操作，由于C語言的 count++ 操作會(huì)被翻譯成如下指令：

• 那么在并發(fā)的情況下，有可能出現(xiàn)如下問題：

• 假設(shè)count變量初始值為0：

1. 進(jìn)程1執(zhí)行完 mov eax, [count] 后，寄存器eax內(nèi)保存了count的值0。

2. 進(jìn)程2被調(diào)度執(zhí)行。進(jìn)程2執(zhí)行 count++ 的所有指令，將累加后的count值1寫回到內(nèi)存。

3. 進(jìn)程1再次被調(diào)度執(zhí)行，計(jì)算count的累加值仍為1，寫回到內(nèi)存。

• 雖然進(jìn)程1和進(jìn)程2執(zhí)行了兩次 count++ 操作，但是count最后的值為1，而不是2。

• 要解決這個(gè)問題就需要使用 原子操作，原子操作是指不能被打斷的操作，在單核CPU中，一條指令就是原子操作。比如上面的問題可以把 count++ 語句翻譯成指令 inc [count] 即可。Linux也提供了這樣的原子操作，如對(duì)整數(shù)加一操作的 atomic_inc()：

• 在多核CPU中，一條指令也不一定是原子操作，比如 inc [count] 指令在多核CPU中需要進(jìn)行如下過程：

1. 從內(nèi)存將count的數(shù)據(jù)讀取到cpu。

2. 累加讀取的值。

3. 將修改的值寫回count內(nèi)存。

• Intel x86 CPU 提供了 lock 前綴來鎖住總線，可以讓指令保證不被其他CPU中斷，如下：

鎖

• 原子操作 能夠保證操作不被其他進(jìn)程干擾，但有時(shí)候一個(gè)復(fù)雜的操作需要由多條指令來實(shí)現(xiàn)，那么就不能使用原子操作了，這時(shí)候可以使用 鎖 來實(shí)現(xiàn)。

• 計(jì)算機(jī)科學(xué)中的 鎖 與日常生活的 鎖 有點(diǎn)類似，舉個(gè)例子：比如要上公廁，首先找到一個(gè)沒有人的廁所，然后把廁所門鎖上。其他人要使用的話，必須等待當(dāng)前這人使用完畢，并且把門鎖打開才能使用。在計(jì)算機(jī)中，要對(duì)某個(gè)公共資源進(jìn)行操作時(shí)，必須對(duì)公共資源進(jìn)行上鎖，然后才能使用。如果不上鎖，那么就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)混亂的情況。

• 在Linux內(nèi)核中，比較常用的鎖有：自旋鎖、信號(hào)量、讀寫鎖 等，下面介紹一下自旋鎖和信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)。

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自旋鎖

• 自旋鎖 只能在多核CPU系統(tǒng)中，其核心原理是 原子操作，原理如下圖：

• 使用 自旋鎖 時(shí)，必須先對(duì)自旋鎖進(jìn)行初始化（設(shè)置為1），上鎖過程如下：

1. 對(duì)自旋鎖 lock 進(jìn)行減一操作，判斷結(jié)果是否等于0，如果是表示上鎖成功并返回。

2. 如果不等于0，表示其他進(jìn)程已經(jīng)上鎖，此時(shí)必須不斷比較自旋鎖 lock 的值是否等于1（表示已經(jīng)解鎖）。

3. 如果自旋鎖 lock 等于1，跳轉(zhuǎn)到第一步繼續(xù)進(jìn)行上鎖操作。

• 由于Linux的自旋鎖使用匯編實(shí)現(xiàn)，所以比較苦澀難懂，這里使用C語言來模擬一下：

• 上面代碼將 result = --(*lock); 當(dāng)成原子操作，解鎖過程只需要把 lock 設(shè)置為1即可。由于自旋鎖會(huì)不斷嘗試上鎖操作，并不會(huì)對(duì)進(jìn)程進(jìn)行調(diào)度，所以在單核CPU中可能會(huì)導(dǎo)致 100% 的CPU占用率。另外，自旋鎖只適合粒度比較小的操作，如果操作粒度比較大，就需要使用信號(hào)量這種可調(diào)度進(jìn)程的鎖。

信號(hào)量

• 與 自旋鎖 不一樣，當(dāng)當(dāng)前進(jìn)程對(duì) 信號(hào)量 進(jìn)行上鎖時(shí)，如果其他進(jìn)程已經(jīng)對(duì)其進(jìn)行上鎖，那么當(dāng)前進(jìn)程會(huì)進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待其他進(jìn)程對(duì)信號(hào)量進(jìn)行解鎖。過程如下圖：

• 在Linux內(nèi)核中，信號(hào)量使用 struct semaphore 表示，定義如下：

• 各個(gè)字段的作用如下：

1. lock：自旋鎖，用于對(duì)多核CPU平臺(tái)進(jìn)行同步。

2. count：信號(hào)量的計(jì)數(shù)器，上鎖時(shí)對(duì)其進(jìn)行減一操作(count--)，如果得到的結(jié)果為大于等于0，表示成功上鎖，如果小于0表示已經(jīng)被其他進(jìn)程上鎖。

3. wait_list：正在等待信號(hào)量解鎖的進(jìn)程隊(duì)列。

• 信號(hào)量 上鎖通過 down() 函數(shù)實(shí)現(xiàn)，代碼如下：

上面代碼可以看出，down() 函數(shù)首先對(duì)信號(hào)量進(jìn)行自旋鎖操作（為了避免多核CPU競爭），然后比較計(jì)數(shù)器是否大于0，如果是對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行減一操作，并且返回，否則調(diào)用 __down() 函數(shù)進(jìn)行下一步操作。__down() 函數(shù)實(shí)現(xiàn)如下：

• __down() 函數(shù)最終調(diào)用 __down_common() 函數(shù)，而 __down_common() 函數(shù)的操作過程如下：

1. 把當(dāng)前進(jìn)程添加到信號(hào)量的等待隊(duì)列中。

2. 切換到其他進(jìn)程運(yùn)行，直到被其他進(jìn)程喚醒。

3. 如果當(dāng)前進(jìn)程獲得信號(hào)量鎖（由解鎖進(jìn)程傳遞），那么函數(shù)返回。

• 接下來看看解鎖過程，解鎖過程主要通過 up() 函數(shù)實(shí)現(xiàn)，代碼如下：

解鎖過程如下：

1. 判斷當(dāng)前信號(hào)量是否有等待的進(jìn)程，如果沒有等待的進(jìn)程, 直接對(duì)計(jì)數(shù)器加一操作

2. 如果有等待的進(jìn)程，那么獲取到等待隊(duì)列的第一個(gè)進(jìn)程。

3. 把進(jìn)程從等待隊(duì)列中刪除。

4. 告訴進(jìn)程已經(jīng)獲得信號(hào)量鎖

5. 喚醒進(jìn)程。