嵌入式Linux中的進程同步無競爭態讀寫

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

引言

在對實時采集更新的數據進行處理時，往往會遇到數據更新速度與數據處理的速度不匹配的問題。這種情況下，會出現數據丟失而導致數據處理結果不準確，甚至會帶來不可預測的后果，因此需要一種機制來協調數據更新與數據處理，從而保證數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，Linux支持多個進程在系統中并發運行，由于進程本身的動態特性，用來描述實時數據處理非常合適，因此，解決好Linux進程間的同步與通信問題就能解決實時數據處理的問題。

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

實現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；實現數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據。

1 有限長度緩沖區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據結構，它們共享同一個數據空間。生產進程和消費進程如何進行相互協調，使得消費進程每次使用的數據都是生產進程新生產寫人的，又使生產進程新寫入的數據不會覆蓋還未被消費進程讀出使用的數據，是該問題模型實現的關鍵問題。

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，消費者進程不斷從緩沖區中取走產品進行消費。當緩沖區中產品已經放滿時，表示生產速度高于消費速度，出現了供過于求，此時生產者必須等待產品被消費；當緩沖區為空時，表示消費速度高于生產速度，出現了供不應求，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后將記錄寫入緩沖區。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后將記錄讀出。

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