Java程序员需要掌握的计算机底层知识（五）：内核同步方法

内核同步机制

关于同步理论的一些基本概念

• 临界区（critical area）: 访问或操作共享数据的代码段
  简单理解：synchronized大括号中部分（原子性）
• 竞争条件（race conditions）两个线程同时拥有临界区的执行权
• 数据不一致：data unconsistency 由竞争条件引起的数据破坏
• 同步（synchronization）避免race conditions
• 锁：锁是完成同步的手段（门锁，门后是临界区，只允许一个线程存在）
  上锁解锁必须具备原子性（如果连上锁的过程都会被打断的话，就没有什么意义了）
• 原子性（象原子一样不可分割的操作）
• 有序性（禁止指令重排）
• 可见性（一个线程内的修改，另一个线程可见）

互斥锁 排他锁 共享锁 分段锁

内核同步常用方法

了解一下Linux内核实现的一些同步方法，了解一些关于线程控制的理论知识，可以去印证Java层面的同步知识。
用的话要用C语言去调用。

1. 原子操作 – Linux内核中提供了类似于 Java 中的 AtomicXXX 的原子操作，位于Linux内核源码的头文件<linux/types.h>，是从原语层面的支持，不需要实现CAS

2. 自旋锁 – 内核中通过汇编支持的CAS自旋锁，位于<asm/spinlock.h>。

3. 读-写自旋 – 类似于ReadWriteLock，可以同时读，但只能一个写
   相当于：读的时候是共享锁，写的时候是排他锁

4. 信号量 – 类似于Java中的Semaphore(PV操作，down up操作，就是占有锁和释放锁）
   是一个重量级锁，线程会进入wait，适合长时间持有的锁情况

5. 读-写信号量 – downread upread downwrite upwrite
   （多个写，可以分段写，比较少用）(分段锁）

6. 互斥体(mutex) – 特殊的信号量（二值信号量）

7. 完成变量 – 特殊的信号量（A发出信号给B，B等待在完成变量上）
   vfork() 在子进程结束时通过完成变量叫醒父进程 类似于(Latch)
   在网络编程中有完成端口(Completion Port)

8. BKL：大内核锁 Big kernel lock（早期，现在已经不用）

9. 顺序锁（内核版本2.6之后新增加的）： – 线程可以挂起的读写自旋锁
   序列计数器（从0开始，写时增加(+1)，写完释放(+1)，读线程不对计数器做任何操作）
   写的时候，不妨碍读线程：
   如果读线程发现是偶数，说明在读的时候没有任何人改变过。
   如果读线程发现是奇数，说明你读到的可能是中间状态，你可以选择继续自旋，等待值变为偶数。
   读前读后序列一样，说明没有写线程打断。

10. 禁止抢占 – preempt_disable()：我这个线程在执行过程中，不允许任何线程打断我。

11. 内存屏障 – 见 volatile

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汇编实现引导程序

bootloader被写死在磁盘上固定的扇区，启动后被加载到内存张一个固定的位置。BIOS去这个位置执行第一条指令。

编写汇编码

将程序烧到软盘上，用软盘启动，模拟启动过程

; 文件名 boot.asm
 
org 7c00h                     ; BIOS读入MBR后，从固定的0x7c00h处开始执行。因此引导程序一定要放在这个位置才能执行。
 
; 下面部分和10h有关中断，10h中断用来显示字符
; 8086CPU 16位寄存器想用20位寻址，于是加了段寄存器。为了向后兼容，后来一直保留
mov ax, cs					  下来。
mov es, ax
mov ax, msg
mov bp, ax                    ; ES:BP表示显示字符串的地址
mov cx, msgLen                ; CX存字符长度
mov ax, 1301h                 ; AH=13h表示向TTY字符终端显示字符，AL=01h表示显示方式（字符串是否包含显示属性，01h表示不包含）
mov bx, 000fh                 ; BH=00h表示页号第0页，BL=0fh表示颜色白色
mov dl, 0                     ; 表示位于第0列
int 10h						  ; 在上面这些固定的寄存器当中放好数据后，直接调用中断函数即可
  
msg: db "hello world, welcome to OS!"
msgLen: equ $ - msg           ; 字符串长度
times 510 - ($ - $$) db 0     ; 填充剩余部分
dw 0aa55h                     ; 魔数，必须有这两个字节BIOS才确认是MBR，即主引导记录（是装有Linux系统的硬盘的第一个扇区）

编译

nasm boot.asm -o boot.bin

制作启动软盘

1. dd if=/dev/zero of=floppy.img bs=1474560 count=1 生成空白软盘镜像
2. dd if=boot.bin of=myos.img bs=512 count=1 制作包含主引导记录boot.bin的启动镜像文件
3. dd if=floppy.img of=myos.img skip=1 seek=1 bs=512 count=2879 在 bin 生成的镜像文件后补上空白，成为合适大小的软盘镜像，一共2880个扇区，略过第一个

用软盘启动系统

1. 将myos.img下载到windows

2. VMWare创建空的虚拟机
   2.1 文件 - 创建新的虚拟机 - 典型
   2.2 稍后安装操作系统
   2.3 其他
   2.4 一路next 完成
   2.5 虚拟机设置，去掉CD/DVD选项中“启动时连接”
   2.6 网络，选择“仅主机模式”，勾选“启动时连接”（好像无所谓）
   2.7 添加软盘驱动器 使用软盘映像 找到myos.img

3. 启动虚拟机

从此可以开始制作你的操作系统之旅。

为什么是从 0x7C00 开始？

IBM一开始就是这么设定的，后来为了兼容一直延续。参考：
https://www.glamenv-septzen.net/en/view/6