并發?是指在某一時間段內能夠處理多個任務的能力，而?并行?是指同一時間能夠處理多個任務的能力。并發和并行看起來很像，但實際上是有區別的，如下圖（圖片來源于網絡）：

concurrency-parallelism

上圖的意思是，有兩條在排隊買咖啡的隊列，并發只有一架咖啡機在處理，而并行就有兩架的咖啡機在處理。咖啡機的數量越多，并行能力就越強。

可以把上面的兩條隊列看成兩個進程，并發就是指只有單個CPU在處理，而并行就有兩個CPU在處理。為了讓兩個進程在單核CPU中也能得到執行，一般的做法就是讓每個進程交替執行一段時間，比如讓每個進程固定執行?100毫秒，執行時間使用完后切換到其他進程執行。而并行就沒有這種問題，因為有兩個CPU，所以兩個進程可以同時執行。如下圖：

concurrency-parallelism

原子操作

上面介紹過，并發有可能會打斷當前執行的進程，然后替切換成其他進程執行。如果有兩個進程同時對一個共享變量?count?進行加一操作，由于C語言的?count++?操作會被翻譯成如下指令：

mov eax, [count] inc eax mov [count], eax

那么在并發的情況下，有可能出現如下問題：

concurrency-problem

假設count變量初始值為0：

• 進程1執行完?mov eax, [count]?后，寄存器eax內保存了count的值0。

• 進程2被調度執行。進程2執行?count++?的所有指令，將累加后的count值1寫回到內存。

• 進程1再次被調度執行，計算count的累加值仍為1，寫回到內存。

雖然進程1和進程2執行了兩次?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，如對整數加一操作的?atomic_inc()：

static?__inline__?void?atomic_inc(atomic_t?*v) {__asm__?__volatile__(LOCK?"incl?%0":"=m"?(v->counter):"m"?(v->counter)); }

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中需要進行如下過程：

從內存將count的數據讀取到cpu。

累加讀取的值。

將修改的值寫回count內存。

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：

lock inc [count]

鎖

原子操作?能夠保證操作不被其他進程干擾，但有時候一個復雜的操作需要由多條指令來實現，那么就不能使用原子操作了，這時候可以使用?鎖?來實現。

計算機科學中的?鎖?與日常生活的?鎖?有點類似，舉個例子：比如要上公廁，首先找到一個沒有人的廁所，然后把廁所門鎖上。其他人要使用的話，必須等待當前這人使用完畢，并且把門鎖打開才能使用。在計算機中，要對某個公共資源進行操作時，必須對公共資源進行上鎖，然后才能使用。如果不上鎖，那么就可能導致數據混亂的情況。

在Linux內核中，比較常用的鎖有：自旋鎖、信號量、讀寫鎖?等，下面介紹一下自旋鎖和信號量的實現。

自旋鎖

自旋鎖?只能在多核CPU系統中，其核心原理是?原子操作，原理如下圖：

spinlock

使用?自旋鎖?時，必須先對自旋鎖進行初始化（設置為1），上鎖過程如下：

對自旋鎖?lock?進行減一操作，判斷結果是否等于0，如果是表示上鎖成功并返回。

如果不等于0，表示其他進程已經上鎖，此時必須不斷比較自旋鎖?lock?的值是否等于1（表示已經解鎖）。

如果自旋鎖?lock?等于1，跳轉到第一步繼續進行上鎖操作。

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

void?spin_lock(amtoic_t?*lock) { again:result?=?--(*lock);if?(result?==?0)?{return;}while?(true)?{if?(*lock?==?1)?{goto?again;}} }

上面代碼將?result = --(*lock);?當成原子操作，解鎖過程只需要把?lock?設置為1即可。由于自旋鎖會不斷嘗試上鎖操作，并不會對進程進行調度，所以在單核CPU中可能會導致 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，就需要使用信號量這種可調度進程的鎖。

信號量

與?自旋鎖?不一樣，當當前進程對?信號量?進行上鎖時，如果其他進程已經對其進行上鎖，那么當前進程會進入睡眠狀態，等待其他進程對信號量進行解鎖。過程如下圖：

semaphore

在Linux內核中，信號量使用?struct semaphore?表示，定義如下：

struct?semaphore?{raw_spinlock_t??????lock;unsigned?int????????count;struct?list_head????wait_list; };

各個字段的作用如下：

• lock：自旋鎖，用于對多核CPU平臺進行同步。

• count：信號量的計數器，上鎖時對其進行減一操作(count--)，如果得到的結果為大于等于0，表示成功上鎖，如果小于0表示已經被其他進程上鎖。

• wait_list：正在等待信號量解鎖的進程隊列。

信號量?上鎖通過?down()?函數實現，代碼如下：

void?down(struct?semaphore?*sem) {unsigned?long?flags;spin_lock_irqsave(&sem->lock,?flags);if?(likely(sem->count?>?0))sem->count--;else__down(sem);spin_unlock_irqrestore(&sem->lock,?flags); }

上面代碼可以看出，down()?函數首先對信號量進行自旋鎖操作（為了避免多核CPU競爭），然后比較計數器是否大于0，如果是對計數器進行減一操作，并且返回，否則調用?__down()?函數進行下一步操作。__down()?函數實現如下：

static?noinline?void?__sched?__down(struct?semaphore?*sem) {__down_common(sem,?TASK_UNINTERRUPTIBLE,?MAX_SCHEDULE_TIMEOUT); }static?inline?int?__down_common(struct?semaphore?*sem,long?state,?long?timeout) {struct?task_struct?*task?=?current;struct?semaphore_waiter?waiter;//?把當前進程添加到等待隊列中list_add_tail(&waiter.list,?&sem->wait_list);waiter.task?=?task;waiter.up?=?0;for?(;;)?{...__set_task_state(task,?state);spin_unlock_irq(&sem->lock);timeout?=?schedule_timeout(timeout);spin_lock_irq(&sem->lock);if?(waiter.up)?//?當前進程是否獲得信號量鎖?return?0;}... }

__down()?函數最終調用?__down_common()?函數，而?__down_common()?函數的操作過程如下：

把當前進程添加到信號量的等待隊列中。

切換到其他進程運行，直到被其他進程喚醒。

如果當前進程獲得信號量鎖（由解鎖進程傳遞），那么函數返回。

接下來看看解鎖過程，解鎖過程主要通過?up()?函數實現，代碼如下：

void?up(struct?semaphore?*sem) {unsigned?long?flags;raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock,?flags);if?(likely(list_empty(&sem->wait_list)))?//?如果沒有等待的進程, 直接對計數器加一操作sem->count++;else__up(sem);?//?如果有等待進程,?那么調用?__up()?函數進行喚醒raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock,?flags); }static?noinline?void?__sched?__up(struct?semaphore?*sem) {//?獲取到等待隊列的第一個進程struct?semaphore_waiter?*waiter?=?list_first_entry(&sem->wait_list,?struct?semaphore_waiter,?list);list_del(&waiter->list);???????//?把進程從等待隊列中刪除waiter->up?=?1;????????????????//?告訴進程已經獲得信號量鎖wake_up_process(waiter->task);?//?喚醒進程 }

解鎖過程如下：

判斷當前信號量是否有等待的進程，如果沒有等待的進程, 直接對計數器加一操作

如果有等待的進程，那么獲取到等待隊列的第一個進程。

把進程從等待隊列中刪除。

告訴進程已經獲得信號量鎖

喚醒進程。

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