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嵌入式Linux中的進程同步無競爭態(tài)讀寫

發(fā)布時間:  2012/8/29 18:01:18

Linux作為一個開源、穩(wěn)健的操作系統(tǒng),支持多種平臺,擁有豐富的開發(fā)工具和應用軟件,尤其是其內核可裁減的特性,非常適合嵌入式系統(tǒng)。在數(shù)據實時性、準確度要求很高的情況下,系統(tǒng)在對數(shù)據的采集和處理過程中,由于其進程協(xié)調性問題,往往會造成數(shù)據的丟失。利用經典進程同步模型,可解決嵌入式Linux系統(tǒng)中數(shù)據同步讀寫沖突的問題。

引言

在對實時采集更新的數(shù)據進行處理時,往往會遇到數(shù)據更新速度與數(shù)據處理的速度不匹配的問題。這種情況下,會出現(xiàn)數(shù)據丟失而導致數(shù)據處理結果不準確,甚至會帶來不可預測的后果,因此需要一種機制來協(xié)調數(shù)據更新與數(shù)據處理,從而保證數(shù)據的完整性和處理結果的準確性。作為一個多任務、多用戶操作系統(tǒng),Linux支持多個進程在系統(tǒng)中并發(fā)運行,由于進程本身的動態(tài)特性,用來描述實時數(shù)據處理非常合適,因此,解決好Linux進程間的同步與通信問題就能解決實時數(shù)據處理的問題。

在Linux環(huán)境下,進程通常存在運行(running)、阻塞(blocked)、就緒(ready)、終止(terminated)四種狀態(tài)。當多個進程并發(fā)執(zhí)行時,往往會出現(xiàn)進程間的競態(tài)。我們希望進程能協(xié)調彼此間的行為,使得一個進程只有在其他的進程執(zhí)行到一個特定的點時才會執(zhí)行一個動作,即控制同步;同時,當并發(fā)進程訪問共享數(shù)據時不應當出現(xiàn)競爭條件。這一點通過在訪問共享數(shù)據時執(zhí)行互斥來確保,即數(shù)據訪問同步。

實現(xiàn)同步的基本技術是阻塞一個進程,直到一個特定條件滿足為止;實現(xiàn)數(shù)據訪問同步是通過阻塞一個進程直到另外的進程完成訪問共享數(shù)據。

1 有限長度緩沖區(qū)的生產者一消費者問題模型

當僅存在單個生產者和消費者時,生產進程和消費進程所對應的是同樣的數(shù)據結構,它們共享同一個數(shù)據空間。生產進程和消費進程如何進行相互協(xié)調,使得消費進程每次使用的數(shù)據都是生產進程新生產寫人的,又使生產進程新寫入的數(shù)據不會覆蓋還未被消費進程讀出使用的數(shù)據,是該問題模型實現(xiàn)的關鍵問題。

在生產者一消費者問題模型中,生產者進程不斷生產產品并把它們放入緩沖區(qū),消費者進程不斷從緩沖區(qū)中取走產品進行消費。當緩沖區(qū)中產品已經放滿時,表示生產速度高于消費速度,出現(xiàn)了供過于求,此時生產者必須等待產品被消費;當緩沖區(qū)為空時,表示消費速度高于生產速度,出現(xiàn)了供不應求,此時消費者進程必須等待產品的生產。生產和消費的進程必須達到同步運行,才能實現(xiàn)供需平衡。

處理讀寫同步的兩種常見的策略被稱為“強讀者同步(strongreadersynchronization)”和“強寫者同步(strongwritersynchronization)”。在強讀者同步中,總是給讀者以優(yōu)先權,只要寫者當前沒有進行寫操作,讀者就可以獲得訪問權;在強寫者同步中,寫者總是獲得優(yōu)先權,只要強讀者當前沒有進行讀操作,寫者就可以獲得訪問權。而生產者消費者同步與單純的讀寫同步又有不同,消費者可以通過訪問資源對資源進行刪除或銷毀。

一個有限長度緩沖區(qū)的生產者消費者問題模型,是由若干生產者和消費者進程以及一個有限的緩沖池構成的。每個緩沖區(qū)能夠存儲一個信息記錄,一個生產者一次生產一個信息記錄。產生一個記錄之后,等待單獨進入一個空的緩沖區(qū)后將記錄寫入緩沖區(qū)。一個消費者進程一次消費一個信息記錄。當它需要消費時,它等待單獨進入一個滿的緩沖區(qū)后將記錄讀出。


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