Lec10 Multiprocessors and locking

  • 为什么需要锁?为什么需要尽可能避免锁?

    • 出于正确性,我们需要使用锁,但是考虑到性能,锁又是极不好的(串行执行)。
  • 锁就是一个对象,就像其他在内核中的对象一样。有一个结构体叫做lock,它包含了一些字段,这些字段中维护了锁的状态。锁有非常直观的API:

    • acquire,接收指向lock的指针作为参数。acquire确保了在任何时间,只会有一个进程能够成功的获取锁。
    • release,也接收指向lock的指针作为参数。在同一时间尝试获取锁的其他进程需要等待,直到持有锁的进程对锁调用release。
    • 锁的acquire和release之间的代码,通常被称为critical section(临界区)。
  • 什么时候使用锁

    • 共享的数据 (可能过严)
    • 在一些其他场合也需要锁,例如对于printf,如果我们将一个字符串传递给它,XV6会尝试原子性的将整个字符串输出,而不是与其他进程的printf交织输出。尽管这里没有共享的数据结构,但在这里锁仍然很有用处,因为我们想要printf的输出也是序列化的。
  • 锁的特性

    • 锁可以避免丢失操作更新
    • 锁可以打包多个操作,使它们具有原子性
    • 锁可以维护共享数据结构的不变性
  • 锁排序

    • 对于一个系统设计者,你需要确定对于所有的锁对象的全局的顺序。例如在这里的例子中我们让d1一直在d2之前,这样我们在rename的时候,总是先获取排序靠前的目录的锁,再获取排序靠后的目录的锁。如果对于所有的锁有了一个全局的排序,这里的死锁就不会出现了。
    • 这样又违背了代码抽象的原则。在完美的情况下,代码抽象要求m1完全不知道m2是如何实现的。但是不幸的是,具体实现中,m2内部的锁需要泄露给m1,这样m1才能完成全局锁排序。所以当你设计一些更大的系统时,锁使得代码的模块化更加的复杂了。
  • 自旋锁(Spin lock)的实现

    • **实现锁的主要难点在于锁的acquire接口,在acquire里面有一个死循环,循环中判断锁对象的locked字段是否为0,如果为0那表明当前锁没有持有者,当前对于acquire的调用可以获取锁。**之后我们通过设置锁对象的locked字段为1来获取锁。最后返回。
    • 问题:如何解决两个进程可能同时读到锁的locked字段为0 ?
      • 最常见的方法是依赖于一个特殊的硬件指令。这个特殊的硬件指令会保证一次test-and-set操作的原子性。在RISC-V上,这个特殊的指令就是amoswap(atomic memory swap)。这个指令接收3个参数,分别是address,寄存器r1,寄存器r2。这条指令会先锁定住address,将address中的数据保存在一个临时变量中(tmp),之后将r1中的数据写入到地址中,之后再将保存在临时变量中的数据写入到r2中,最后再对于地址解锁。
      • 通过这里的加锁,可以确保address中的数据存放于r2,而r1中的数据存放于address中,并且这一系列的指令打包具备原子性。
      • 原理
        • 基本上都是对于地址加锁,读出数据,写入新数据,然后再返回旧数据(注,也就是实现了atomic swap)。
      • 具体的实现依赖于内存系统是如何工作的
        • 多个处理器共用一个内存控制器,内存控制器可以支持这里的操作,比如给一个特定的地址加锁,然后让一个处理器执行2-3个指令,然后再解锁。因为所有的处理器都需要通过这里的内存控制器完成读写,所以内存控制器可以对操作进行排序和加锁。
        • **如果内存位于一个共享的总线上,那么需要总线控制器(bus arbiter)来支持。**总线控制器需要以原子的方式执行多个内存操作。
        • 如果处理器有缓存,那么缓存一致性协议会确保对于持有了我们想要更新的数据的cache line只有一个写入者,相应的处理器会对cache line加锁,完成两个操作。
    • 三个细节
      • release为什么也使用了atomic swap操作,不直接使用一个store指令将锁的locked字段写为0?
        • store指令可能不是一个原子操作
          • 每一个cache line的大小可能大于一个整数,那么store指令实际的过程将会是:首先会加载cache line,之后再更新cache line。所以对于store指令来说,里面包含了两个微指令。这样的话就有可能得到错误的结果。所以为了避免理解硬件实现的所有细节,例如整数操作不是原子的,或者向一个64bit的内存值写数据是不是原子的,我们直接使用一个RISC-V提供的确保原子性的指令来将locked字段写为0。
      • 第二个细节是,在acquire函数的最开始,会先关闭中断。
        • 中断处理程序(如计时器中断)需要获取进程的锁,会造成死锁。所以中断在release的结束位置才能再次打开,因为在这个位置才能再次安全的接收中断。
      • memory ordering (禁止编译器和硬件对指令重新排序)
        • 如果我们将critical section与加锁解锁放在不同的CPU执行,将会得到完全错误的结果。所以指令重新排序在并发场景是错误的。为了禁止,或者说为了告诉编译器和硬件不要这样做,我们需要使用memory fence或者叫做synchronize指令,来确定指令的移动范围。对于synchronize指令,任何在它之前的load/store指令,都不能移动到它之后。锁的acquire和release函数都包含了synchronize指令。
        • 发生在锁acquire之前的指令不会被移到acquire的sync_synchronize函数调用之后,这是一个界限。在锁的release函数中有另一个界限。所以在第一个界限之前的指令会一直在这个界限之前,在两个界限之间的指令会保持在两个界限之间,在第二个界限之后的指令会保持在第二个界限之后。
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    2022/11/19 21:17:14
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    置信有很多用户都跟小编一样遇到过这样的问题&#xff0c;电脑时发现开机屏幕显现“正在配置Windows Update&#xff0c;请勿关机”(如下图所示)&#xff0c;而且还需求等大约5分钟才干进入系统。这是怎样回事呢&#xff1f;一切都是正常操作的&#xff0c;为什么开时机呈现“正…...

    2022/11/19 21:17:13
  30. 准备配置windows 请勿关闭计算机 蓝屏,Win7开机总是出现提示“配置Windows请勿关机”...

    Win7系统开机启动时总是出现“配置Windows请勿关机”的提示&#xff0c;没过几秒后电脑自动重启&#xff0c;每次开机都这样无法进入系统&#xff0c;此时碰到这种现象的用户就可以使用以下5种方法解决问题。方法一&#xff1a;开机按下F8&#xff0c;在出现的Windows高级启动选…...

    2022/11/19 21:17:12
  31. 准备windows请勿关闭计算机要多久,windows10系统提示正在准备windows请勿关闭计算机怎么办...

    有不少windows10系统用户反映说碰到这样一个情况&#xff0c;就是电脑提示正在准备windows请勿关闭计算机&#xff0c;碰到这样的问题该怎么解决呢&#xff0c;现在小编就给大家分享一下windows10系统提示正在准备windows请勿关闭计算机的具体第一种方法&#xff1a;1、2、依次…...

    2022/11/19 21:17:11
  32. 配置 已完成 请勿关闭计算机,win7系统关机提示“配置Windows Update已完成30%请勿关闭计算机”的解决方法...

    今天和大家分享一下win7系统重装了Win7旗舰版系统后&#xff0c;每次关机的时候桌面上都会显示一个“配置Windows Update的界面&#xff0c;提示请勿关闭计算机”&#xff0c;每次停留好几分钟才能正常关机&#xff0c;导致什么情况引起的呢&#xff1f;出现配置Windows Update…...

    2022/11/19 21:17:10
  33. 电脑桌面一直是清理请关闭计算机,windows7一直卡在清理 请勿关闭计算机-win7清理请勿关机,win7配置更新35%不动...

    只能是等着&#xff0c;别无他法。说是卡着如果你看硬盘灯应该在读写。如果从 Win 10 无法正常回滚&#xff0c;只能是考虑备份数据后重装系统了。解决来方案一&#xff1a;管理员运行cmd&#xff1a;net stop WuAuServcd %windir%ren SoftwareDistribution SDoldnet start WuA…...

    2022/11/19 21:17:09
  34. 计算机配置更新不起,电脑提示“配置Windows Update请勿关闭计算机”怎么办?

    原标题&#xff1a;电脑提示“配置Windows Update请勿关闭计算机”怎么办&#xff1f;win7系统中在开机与关闭的时候总是显示“配置windows update请勿关闭计算机”相信有不少朋友都曾遇到过一次两次还能忍但经常遇到就叫人感到心烦了遇到这种问题怎么办呢&#xff1f;一般的方…...

    2022/11/19 21:17:08
  35. 计算机正在配置无法关机,关机提示 windows7 正在配置windows 请勿关闭计算机 ,然后等了一晚上也没有关掉。现在电脑无法正常关机...

    关机提示 windows7 正在配置windows 请勿关闭计算机 &#xff0c;然后等了一晚上也没有关掉。现在电脑无法正常关机以下文字资料是由(历史新知网www.lishixinzhi.com)小编为大家搜集整理后发布的内容&#xff0c;让我们赶快一起来看一下吧&#xff01;关机提示 windows7 正在配…...

    2022/11/19 21:17:05
  36. 钉钉提示请勿通过开发者调试模式_钉钉请勿通过开发者调试模式是真的吗好不好用...

    钉钉请勿通过开发者调试模式是真的吗好不好用 更新时间:2020-04-20 22:24:19 浏览次数:729次 区域: 南阳 > 卧龙 列举网提醒您:为保障您的权益,请不要提前支付任何费用! 虚拟位置外设器!!轨迹模拟&虚拟位置外设神器 专业用于:钉钉,外勤365,红圈通,企业微信和…...

    2022/11/19 21:17:05
  37. 配置失败还原请勿关闭计算机怎么办,win7系统出现“配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机”,长时间没反应,无法进入系统的解决方案...

    前几天班里有位学生电脑(windows 7系统)出问题了&#xff0c;具体表现是开机时一直停留在“配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机”这个界面&#xff0c;长时间没反应&#xff0c;无法进入系统。这个问题原来帮其他同学也解决过&#xff0c;网上搜了不少资料&#x…...

    2022/11/19 21:17:04
  38. 一个电脑无法关闭计算机你应该怎么办,电脑显示“清理请勿关闭计算机”怎么办?...

    本文为你提供了3个有效解决电脑显示“清理请勿关闭计算机”问题的方法&#xff0c;并在最后教给你1种保护系统安全的好方法&#xff0c;一起来看看&#xff01;电脑出现“清理请勿关闭计算机”在Windows 7(SP1)和Windows Server 2008 R2 SP1中&#xff0c;添加了1个新功能在“磁…...

    2022/11/19 21:17:03
  39. 请勿关闭计算机还原更改要多久,电脑显示:配置windows更新失败,正在还原更改,请勿关闭计算机怎么办...

    许多用户在长期不使用电脑的时候&#xff0c;开启电脑发现电脑显示&#xff1a;配置windows更新失败&#xff0c;正在还原更改&#xff0c;请勿关闭计算机。。.这要怎么办呢&#xff1f;下面小编就带着大家一起看看吧&#xff01;如果能够正常进入系统&#xff0c;建议您暂时移…...

    2022/11/19 21:17:02
  40. 还原更改请勿关闭计算机 要多久,配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机,电脑开机后一直显示以...

    配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机&#xff0c;电脑开机后一直显示以以下文字资料是由(历史新知网www.lishixinzhi.com)小编为大家搜集整理后发布的内容&#xff0c;让我们赶快一起来看一下吧&#xff01;配置windows update失败 还原更改 请勿关闭计算机&#x…...

    2022/11/19 21:17:01
  41. 电脑配置中请勿关闭计算机怎么办,准备配置windows请勿关闭计算机一直显示怎么办【图解】...

    不知道大家有没有遇到过这样的一个问题&#xff0c;就是我们的win7系统在关机的时候&#xff0c;总是喜欢显示“准备配置windows&#xff0c;请勿关机”这样的一个页面&#xff0c;没有什么大碍&#xff0c;但是如果一直等着的话就要两个小时甚至更久都关不了机&#xff0c;非常…...

    2022/11/19 21:17:00
  42. 正在准备配置请勿关闭计算机,正在准备配置windows请勿关闭计算机时间长了解决教程...

    当电脑出现正在准备配置windows请勿关闭计算机时&#xff0c;一般是您正对windows进行升级&#xff0c;但是这个要是长时间没有反应&#xff0c;我们不能再傻等下去了。可能是电脑出了别的问题了&#xff0c;来看看教程的说法。正在准备配置windows请勿关闭计算机时间长了方法一…...

    2022/11/19 21:16:59
  43. 配置失败还原请勿关闭计算机,配置Windows Update失败,还原更改请勿关闭计算机...

    我们使用电脑的过程中有时会遇到这种情况&#xff0c;当我们打开电脑之后&#xff0c;发现一直停留在一个界面&#xff1a;“配置Windows Update失败&#xff0c;还原更改请勿关闭计算机”&#xff0c;等了许久还是无法进入系统。如果我们遇到此类问题应该如何解决呢&#xff0…...

    2022/11/19 21:16:58
  44. 如何在iPhone上关闭“请勿打扰”

    Apple’s “Do Not Disturb While Driving” is a potentially lifesaving iPhone feature, but it doesn’t always turn on automatically at the appropriate time. For example, you might be a passenger in a moving car, but your iPhone may think you’re the one dri…...

    2022/11/19 21:16:57