同步，中断，并发小解

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同步，中断，并发小解 [复制链接]

<div class='showpostmsg'># arm架构下，同步，并行，中断 如今，ARM架构可是嵌入式和移动计算领域的“大明星”，它以高性能、低能耗赢得了广大电子设备的喜爱，小到智能手表，大到服务器，都能见到它的身影。今天，我们就来唠唠在ARM架构下，如何玩转并发、同步和中断这三个让程序“舞动起来”的关键要素。 # 并发：大家一起嗨起来 1. **多核并行**：现在的ARM处理器，很多都是“多胞胎”——双核、四核甚至更多核，就像一支支小分队，各自负责一块任务，齐头并进，大大提升了干活儿的速度。 2. **超线程技术**：有些高级的ARM芯片，一个核心还能同时干两份活儿，就像一个人同时左手画圆右手画方，虽然手还是那双手，但效率翻倍，这就是超线程的神奇之处。 3. **操作系统调度**：操作系统就像是个大管家，把不同的任务合理分配给各个核心，让它们轮流工作，看起来就像所有任务都在同时进行，这就是所谓的并发。 4. **用户空间并发**：开发者们也可以在自己的程序里创造并发，比如创建多个线程，让它们同时处理数据、做I/O操作等，这样就不用傻傻地一个任务接一个任务地做了。 # 同步：步调一致才能走得稳 1. **原子操作**：想象一下，如果几个线程同时修改同一块数据，那结果肯定乱套了。ARM架构提供了“原子操作”这个法宝，保证在修改数据时，其他线程只能乖乖等着，从而避免数据冲突。 2. **各种锁**：锁就像是数据的“守护神”，比如自旋锁、互斥锁、读写锁等。当某个线程进入“敏感区域”（也就是修改数据的地方），就会挂上锁，其他线程就得在外面排队等候，等锁解开再进去。这样就保证了大家对数据的操作有序进行。 3. **信号量与事件**：信号量好比是计数器，用来控制对公共资源的访问人数。而事件更像是“通知”，告诉线程“你可以开始干活了”或者“你的活干完了”。这些工具在多线程协作时特别有用。 4. **内存屏障**：有时候，为了提高速度，处理器会“投机取巧”，乱序执行指令。内存屏障就是来纠正这种行为的，确保指令按预定顺序执行，数据的一致性得到保障。 ## 原子操作与锁机制 原子操作和锁机制都是用来实现多线程环境中的同步，确保对共享资源的访问安全有序，但它们在实现原理、粒度和使用场景上存在一些区别： ### **原子操作** **1. 实现原理：** 原子操作是指一个不可分割的操作，即从操作开始到结束，不会被任何其他线程中断或干扰。在硬件层面，通常由处理器提供的指令集支持（如ARM架构中的Load-Exclusive/Store-Exclusive指令），或者通过特殊的内存模型（如缓存一致性协议）来保证其原子性。 **2. 粒度：** 原子操作通常针对的是单一变量的简单操作，如整型值的增减、位操作、交换等。这些操作在执行过程中不会被其他线程看到中间状态，总是以一个完整的、不可分割的方式完成。 **3. 使用场景：** - **无锁编程**：原子操作常用于实现无锁数据结构，如无锁计数器、无锁队列等，通过原子操作代替锁来保证数据竞争的安全性。 - **简单状态管理**：例如，多线程环境下某个标志位的设置、清除或自增自减，只需一个原子操作即可确保操作的完整性。 ### **锁机制** **1. 实现原理：** 锁是一种更为通用和复杂的同步机制，它通过引入“锁状态”来协调多个线程对共享资源的访问。当一个线程获得锁后，其他试图访问相同资源的线程会被阻塞或推迟，直到持有锁的线程释放锁。常见的锁包括互斥锁（Mutex）、读写锁（Read-Write Lock）、自旋锁（Spinlock）等。 **2. 粒度：** 锁的粒度通常比原子操作更大，它可以保护一个复杂的数据结构、一段代码块，甚至是整个资源池。锁的范围通常跨越多个内存操作，甚至可能包含条件判断、循环等逻辑。 **3. 使用场景：** - **复杂数据结构同步**：当需要对一个复杂的数据结构（如链表、树、图等）进行多个连续操作时，单个原子操作无法满足需求，此时需要使用锁来保护整个操作序列。 - **临界区保护**：对于包含多个内存操作和控制流的代码块（称为临界区），使用锁来确保任何时候只有一个线程能执行该段代码，防止数据竞争和逻辑混乱。 - **资源共享控制**：在多个线程间共享资源（如文件、数据库连接、硬件设备等），通过锁来协调访问权限，防止资源被并发滥用或破坏其内部一致性。 ### **总结** **原子操作**和**锁机制**的主要区别在于： - **原理**：原子操作基于硬件指令直接实现，不可分割；锁依赖于软件状态（锁变量）和线程调度机制。 - **粒度**：原子操作针对单一变量的简单操作，粒度较小；锁可以保护更大范围的资源或代码块，粒度较大。 - **使用场景**：原子操作适用于简单的状态管理或构建无锁数据结构；锁则适用于保护复杂数据结构、临界区以及协调资源共享。 选择使用原子操作还是锁机制，主要取决于具体的应用场景和同步需求的复杂程度。在追求性能和简洁性的场合，优先考虑原子操作；而在需要协调复杂同步关系或保护大范围资源时，锁机制更为合适。当然，两者也可以结合使用，共同构建高效且正确的多线程程序。 # 中断：快速响应，使命必达 1. **中断体系结构**：ARM架构里有个“中断控制器”，它就像个总机，接收各种设备发来的“紧急呼叫”（中断请求），然后转给CPU去处理。 2. **优先级与抢占**：中断也是分等级的，重要的事优先办。高优先级中断可以打断正在进行的任务，确保关键任务得到及时响应，让系统反应更灵敏。 3. **中断开关**：在某些特殊场合，比如修改重要数据时，需要暂时关掉中断，防止被打断。ARM架构提供了相应的指令，让你轻松开关中断。 4. **中断下半部机制**：有的中断处理起来比较费时，如果全在中断响应阶段做，会影响系统整体速度。这时就可以用“中断下半部”机制，把耗时的部分挪到后面慢慢处理，既保证了快速响应，又不影响其他任务。 ## 硬中断和软中断 硬中断和软中断是计算机系统中两种不同的中断类型，它们分别对应不同的触发源和处理方式，共同构成了系统的中断管理体系。 ### **硬中断（Hardware Interrupts）** **1. 定义与触发源：** 硬中断是由外部硬件设备（如键盘、鼠标、网卡、磁盘控制器等）或内部硬件异常（如除零错误、页故障等）产生的中断信号。这些设备通过特定的硬件线路（如中断请求线IRQ）向处理器发送中断请求，强制处理器暂停当前执行的程序，转而去处理中断事件。 **2. 特点与处理流程：** - **实时性强**：硬中断通常是异步发生的，且具有较高的优先级，能够立即打断处理器的当前执行，确保对硬件事件的快速响应。 - **非屏蔽性**：对于大多数硬中断，除非硬件本身支持中断屏蔽，否则处理器必须立即响应。对于内部异常，更是无法屏蔽。 - **处理流程**：硬中断处理主要包括以下几个步骤： - **中断请求**：硬件设备或异常产生中断信号，通过中断控制器发送到处理器。 - **中断响应**：处理器保存当前上下文（如程序计数器、寄存器状态等），识别中断源并跳转到对应的中断服务程序（Interrupt Service Routine, ISR）执行。 - **中断服务**：ISR处理中断事件，如读取设备数据、处理异常情况、更新设备状态等。 - **中断返回**：ISR执行完毕后，处理器恢复先前保存的上下文，继续执行被中断的程序。 ### **软中断（Software Interrupts）** **1. 定义与触发源：** 软中断是由软件主动发起的中断请求，通常由指令系统提供专门的指令来触发。它们主要用于实现系统调用、任务切换、定时器中断等高级功能，而非直接响应硬件事件。 **2. 特点与处理流程：** - **同步性**：软中断通常是在当前执行线程的上下文中同步触发，不会打断其他线程或进程的执行。 - **可控制性**：软中断的触发时机、次数以及处理优先级均可由软件灵活控制。 - **处理流程**：软中断处理过程与硬中断类似，包括： - **中断请求**：执行特定指令（如x86架构的INT指令）或触发特定条件（如定时器到期）生成软中断请求。 - **中断响应**：处理器识别软中断类型，保存当前上下文并跳转到对应的ISR执行。 - **中断服务**：ISR执行相关功能，如系统调用处理、任务切换、定时器回调等。 - **中断返回**：ISR执行完毕后，恢复先前保存的上下文，继续执行被中断的程序。 ### **硬中断与软中断的关系与应用场景** 硬中断和软中断虽然都是中断机制的一部分，但它们在触发源、优先级、处理流程等方面存在显著差异，服务于不同的系统需求： - **硬中断**主要用于快速响应硬件事件，保证系统的实时交互能力和对外部环境的感知能力。例如，当用户按下键盘按键时，键盘控制器会产生硬中断，促使处理器立即处理按键事件，确保用户输入的即时响应。 - **软中断**主要用于实现系统内部的高级功能和控制流切换，如系统调用（如`read()`、`write()`等）、任务调度（如定时器触发的任务切换）、异常处理（如缺页异常）等。这些功能往往涉及到复杂的上下文切换和资源管理，不适合直接由硬件触发。 综上所述，硬中断和软中断作为中断系统的两大组成部分，各有分工、相互配合，共同支撑起计算机系统的并发处理、事件响应和资源管理能力。 # 实战经验与心得 在实际开发中，这些并发、同步、中断的知识可是大有用处。比如开发视频解码应用时，可以让多个核心并行解码不同的视频流，用锁保护解码状态和输出缓冲区，避免出错；用定时器中断定期更新画面，保证视频播放流畅。在实时控制系统里，合理设置中断优先级，确保关键数据及时采集处理；利用中断下半部处理网络数据，避免中断处理过长影响系统响应。 总而言之，掌握ARM架构下的并发、同步、中断机制，就像拥有了让程序高效、稳定运行的“魔法棒”。随着ARM架构的不断升级，咱们也得与时俱进，持续学习，让手中的程序在ARM架构的舞台上舞出更精彩的“步伐”。 </div><script> var loginstr = '<div class="locked">查看本帖全部内容，请<a href="javascript:;" style="color:#e60000" class="loginf">登录</a>或者<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/member.php?mod=register_eeworld.php&action=wechat" style="color:#e60000" target="_blank">注册</a></div>'; if(parseInt(discuz_uid)==0){ } </script><script type="text/javascript">(function(d,c){var a=d.createElement("script"),m=d.getElementsByTagName("script")[0],eewurl="//counter.eeworld.com.cn/pv/count/";a.src=eewurl+c;m.parentNode.insertBefore(a,m)})(document,523)</script>

LitchiCheng

可以来一些实际的测试代码，这样通过实战来讲解

hldfish

先马克学习一下