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内核一致性 |
基础 |
内核一致性... |
一致性 抢占式 中断 信号量 内核 |
内核的另一个重要的保证就是一致性（consistent）状态，如果内核对某一个控制路径所需要的数据进行挂起，那么其他的内核控制路径1就不应该再对这个数据进行修改，除非重新被设置成一致性状态。否则会给计算机造成非常严重的数据伤害2。
当某个计算结果取决于如何调度两个或多个进程时，相关代码就时不正确的，这是一种竞争条件（race condition）。要避免这种情况，对全局变量的安全访问通过原子操作（atomic operation）。这种问题和线程安全面临的是同样问题，但内核需要更加严谨的对待。不过，现在已经有几种技术被采用，以便同步内核控制路径。
一个最简单的解决办法就是使用非抢占式内核，大多数传统的Unix内核都是非抢占式的，当进程在内核态执行时，它不能被任意一个程序挂起，也不能被任意另一个进程代替。因此，在这种系统上，中断或异常处理程序不能修改所有内核的数据结构，内核对它们来说时安全的。
除了内核态的进程能自愿放弃CPU，这种情况下，它必须保证所有的数据都处于一致性状态。此外，当这种进程恢复执行时，它必须重新检查以前访问过的数据结构的值，因为这些数据有可能被改变。
非抢占式内核在多处理器系统上是低效的，因为多CPU上的两个内核控制路径可以并发的访问相同的数据结构。
单处理器的另一种同步机制是，在进入一个临界区之前禁止所有的硬件中断，离开时再重新启动。这种机制简单但不是最佳，如果临界区比较大，那么一个相对较长的时间内都会禁止中断，使所有的硬件都处于不可用状态。这也是一种低效的解决方法。
广泛使用的一种机制是信号量（semaphore），它在单处理器系统和多处理器系统上都有效。信号量仅仅是一个与数据结构相关的计数器，所有内核线程在试图访问这个数据之前，都需要检查这个信号量3。组成如下：
- 一个整数变量。
- 一个等待进程的链表。
- 两个原子方法，down()和up()。
down方法是对信号量减1，up则相反。如果信号量新的数值小于0，此方法就把正在运行的进程加入到这个信号量链表，然后阻塞该进程。up方法的结果如果大于0或等于0，则激活这个信号量链表里的一个或者多个进程。如果信号量不是负数，则允许访问这个数据结构，否则执行内核控制路径的进程加入到这个信号量链表并阻塞进程。
在多处理器系统中，信号量不是最好的解决方法，系统不允许在不同的CPU上运行的控制路径访问相同的内核数据结构，这种情况下，信号量会比较低效4。这种情况下，多处理器系统使用了自旋锁（spin lock）。自旋锁和信号量相似，但没有等待进程链表，当一个进程发现锁被另一个进程锁着时，就不停的『旋转』，执行一个循环等待，直到锁打开。而正时因为多处理器的原因，挂起的进程不会一直挂起，因为另一个CPU终究会释放资源。
所以，自旋锁在单处理器环境下时无效的，当内核控制路径试图访问一个上锁的数据结构，则会无休止的循环，最后的结果可能导致系统挂起。
当进程A需要访问数据结构a，当B需要访问数据结构b，但是A在等待b，而B在等待a，就会出现死锁状态。很难保证操作系统不会出现死锁状态，现在的操作系统通过按规定的顺序请求信号量来避免死锁。