1. 并发控制基础

1.1 并发编程的核心挑战

在现代多核处理器系统中，并发编程是提升系统吞吐量的关键手段，但同时也引入了三大核心挑战：

1.2 临界区与竞态条件

临界区（Critical Section）是指访问共享资源的代码片段，同一时间只允许一个执行流进入。竞态条件（Race Condition）则发生在多个执行流同时进入临界区，且最终结果取决于执行时序的场景。

以下是一个典型的竞态条件示例：

/* 全局共享计数器 */
static int shared_counter = 0;

/* 两个线程同时执行此函数 */
void increment_counter(void)
{
    /* 读取-修改-写入：非原子操作 */
    int tmp = shared_counter;   // 步骤1：读取
    tmp = tmp + 1;              // 步骤2：修改
    shared_counter = tmp;       // 步骤3：写入
}

当线程 A 执行完步骤1（读取到 0）后被调度出去，线程 B 完整执行三次步骤后计数器变为 1，线程 A 恢复执行步骤2、3，将计数器写回 1——两次递增操作最终只增加了 1，这就是典型的“丢失更新”竞态。

1.3 原子操作

原子操作（Atomic Operation）是不可中断的操作单元，要么全部执行成功，要么完全不执行。在 Linux 内核中，原子操作分为两类：

使用原子操作改写上述计数器：

#include <linux/atomic.h>

static atomic_t shared_counter = ATOMIC_INIT(0);

void increment_counter_safe(void)
{
    atomic_inc(&shared_counter);  // 硬件保证的原子递增
}

1.4 内存屏障

内存屏障（Memory Barrier）是 CPU 或编译器指令，用于强制内存访问的顺序约束。现代处理器为了提升性能，会进行指令重排序（Out-of-Order Execution）和缓存一致性延迟，导致内存操作的实际执行顺序与程序顺序不一致。

内存屏障的四种基本类型：

以下是一个典型的生产者-消费者场景，展示内存屏障的必要性：

/* 共享数据 */
int data;
int flag = 0;

/* 生产者线程 */
void producer(void)
{
    data = 42;                  // 步骤1：写入数据
    smp_wmb();                  // 写屏障：确保 data 写入在 flag 写入之前可见
    flag = 1;                   // 步骤2：设置标志
}

/* 消费者线程 */
void consumer(void)
{
    while (flag == 0)           // 步骤3：轮询标志
        cpu_relax();
    smp_rmb();                  // 读屏障：确保 flag 读取后，data 读取可见
    printk("data = %d\n", data); // 步骤4：读取数据
}

如果没有 smp_wmb() 和 smp_rmb()，消费者可能看到 flag == 1 但 data 仍然是旧值（0），导致逻辑错误。

1.5 原子操作与内存屏障的协同关系

原子操作和内存屏障是并发控制的两大基石，它们的关系如下：

• 原子操作保证“读-改-写”的不可分割性，但不保证内存顺序。
• 内存屏障保证“顺序”与“可见性”，但不保证操作的原子性。
• 带屏障的原子操作（如 atomic_add_return() 在大多数架构上隐含内存屏障）同时提供两种保证。

在 Linux 内核中，RCU（Read-Copy-Update）机制正是利用内存屏障和原子操作的组合，实现了读端几乎零开销的并发控制——这正是本课程后续章节的核心主题。