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【C言語】Linuxカーネルの同期プログラミング

悩んでいる人

C言語でLinuxカーネルの同期プログラミングを教えて!

こういった悩みにお答えします.

本記事の信頼性

  • リアルタイムシステムの研究歴12年.
  • 東大教員の時に,英語でOSの授業.
  • 2012年9月~2013年8月にアメリカのノースカロライナ大学チャペルヒル校コンピュータサイエンス学部2021年の世界大学学術ランキングで20位)で客員研究員として勤務.C言語でリアルタイムLinuxの研究開発
  • プログラミング歴15年以上,習得している言語: C/C++Solidity/Vyper,Java,Python,Ruby,HTML/CSS/JS/PHP,MATLAB,Assembler (x64,ARM).
  • 東大教員の時に,C++言語で開発した「LLVMコンパイラの拡張」,C言語で開発した独自のリアルタイムOS「Mcube Kernel」GitHubにオープンソースとして公開

こういった私から学べます.

本記事では,以下のLinuxカーネル「同期」を理解していることを前提としています.

第8回Linuxカーネル
【第8回】元東大教員から学ぶLinuxカーネル「同期」

こういった私から学べます. 前回を読んでいない方はこちらからどうぞ. Linuxカーネルの記事一覧はこちらからどうぞ. 今回のテーマは同期です. 同期を理解すると,カーネルの本質的な課題が深く理解でき ...

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【C言語】Linuxカーネルの同期プログラミング

C言語でLinuxカーネルの同期プログラミングを紹介します.

具体的には,以下の内容を解説します.

  • アトミック操作(アトミック整数演算,アトミックビット演算)
  • スピンロック
  • Read-Write Lock
  • セマフォ
  • Read-Writeセマフォ
  • ミューテックス
  • Completion
  • Sequential Lock(seqlock)
  • Read-Copy Update(RCU)

アトミック操作

アトミック操作は,アトミック整数演算とアトミックビット演算のカーネルモジュールのコードを紹介します.

アトミック整数演算

アトミック整数演算のカーネルモジュールのコード一式はこちらからダウンロードして下さい.

atomic_int_kernel_module.cのコードは以下になります.

read_threadがread_func関数,write_threadがwrite_func関数を周期的に呼び出します.

write_func関数でcountをインクリメントし,read_func関数でcountを読み出します.

read_func関数とwrite_func関数は,kthread_should_stop関数の返り値が真になるまで実行します.

実行結果は以下になります.

countの値がインクリメントされていることがわかります.(スレッドの実行タイミングによっては,同じ値が連続したり値が2以上増加したりする場合があります.)

アトミックビット演算

アトミックビット演算のカーネルモジュールのコード一式はこちらからダウンロードして下さい.

atomic_bitwise_kernel_module.cのコードは以下になります.

実行結果は以下になります.

スピンロック

スピンロックのカーネルモジュールのコード一式はこちらからダウンロードして下さい.

spinlock_kernel_module.cのコードは以下になります.

実行結果は以下になります.アトミック整数演算と同様です.

Read-Write Lock

Read-Write Lockのカーネルモジュールのコード一式はこちらからダウンロードして下さい.

read_write_lock_kernel_module.cのコードは以下になります.

Readerのスレッドが3つ,Writerのスレッドが1つ実行します.

実行結果は以下になります.

セマフォ

セマフォのカーネルモジュールのコード一式はこちらからダウンロードして下さい.

semaphore_kernel_module.cのコードは以下になります.

実行結果は以下になります.

Read-Writeセマフォ

Read-Writeセマフォのカーネルモジュールのコード一式はこちらからダウンロードして下さい.

read_write_semaphore_kernel_module.cのコードは以下になります.

実行結果は以下になります.

ミューテックス

ミューテックスのカーネルモジュールのコード一式はこちらからダウンロードして下さい.

mutex_kernel_module.cのコードは以下になります.

実行結果は以下になります.

Completion

Completionのカーネルモジュールのコード一式はこちらからダウンロードして下さい.

completion_kernel_module.cのコードは以下になります.

実行結果は以下になります.

Sequential Lock(seqlock)

Sequential Lock(seqlock)のカーネルモジュールのコード一式はこちらからダウンロードして下さい.

seqlock_kernel_module.cのコードは以下になります.

実行結果は以下になります.

Read-Copy Update(RCU)

Read-Copy Update(RCU)のカーネルモジュールのコード一式はこちらからダウンロードして下さい.

rcu_kernel_module.cのコードは以下になります.

実行結果は以下になります.

まとめ

C言語でLinuxカーネルの同期プログラミングを紹介しました.

具体的には,以下を解説しました.

  • アトミック操作(アトミック整数演算,アトミックビット演算)
  • スピンロック
  • Read-Write Lock
  • セマフォ
  • Read-Writeセマフォ
  • ミューテックス
  • Completion
  • Sequential Lock(seqlock)
  • Read-Copy Update(RCU)

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