《Linux内核设计与实现》读书笔记（十）- 内核同步方法
內(nèi)核中提供了多種方法來防止競爭條件，理解了這些方法的使用場景有助于我們在編寫內(nèi)核代碼時選用合適的同步方法，
從而即可保證代碼中臨界區(qū)的安全，同時也讓性能的損失降到最低。
主要內(nèi)容：
- 原子操作
- 自旋鎖
- 讀寫自旋鎖
- 信號量
- 讀寫信號量
- 互斥體
- 完成變量
- 大內(nèi)核鎖
- 順序鎖
- 禁止搶占
- 順序和屏障
- 總結(jié)
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1. 原子操作
原子操作是由編譯器來保證的，保證一個線程對數(shù)據(jù)的操作不會被其他線程打斷。
原子操作有2類：
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原子操作的api很簡單，參見相應(yīng)的頭文件即可。
原子操作頭文件與具體的體系結(jié)構(gòu)有關(guān)，比如x86架構(gòu)的相關(guān)頭文件在 arch/x86/include/asm/*.h
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2. 自旋鎖
原子操作只能用于臨界區(qū)只有一個變量的情況，實際應(yīng)用中，臨界區(qū)的情況要復(fù)雜的多。
對于復(fù)雜的臨界區(qū)，linux內(nèi)核中也提供了多種同步方法，自旋鎖就是其中一種。
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自旋鎖的特點就是當(dāng)一個線程獲取了鎖之后，其他試圖獲取這個鎖的線程一直在循環(huán)等待獲取這個鎖，直至鎖重新可用。
由于線程實在一直循環(huán)的獲取這個鎖，所以會造成CPU處理時間的浪費，因此最好將自旋鎖用于能很快處理完的臨界區(qū)。
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自旋鎖的實現(xiàn)與體系結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以相應(yīng)的頭文件 <asm/spinlock.h> 位于相關(guān)體系結(jié)構(gòu)的代碼中。
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自旋鎖使用時有2點需要注意：
? 比如：當(dāng)前線程獲取自旋鎖后，在臨界區(qū)中被中斷處理程序打斷，中斷處理程序正好也要獲取這個鎖，
? 于是中斷處理程序會等待當(dāng)前線程釋放鎖，而當(dāng)前線程也在等待中斷執(zhí)行完后再執(zhí)行臨界區(qū)和釋放鎖的代碼。
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中斷處理下半部的操作中使用自旋鎖尤其需要小心：
? 所以進(jìn)程上下文在對共享數(shù)據(jù)加鎖前要禁止下半部的執(zhí)行，解鎖時再允許下半部的執(zhí)行。
? 所以下半部在對共享數(shù)據(jù)加鎖前要禁止中斷處理（上半部），解鎖時再允許中斷的執(zhí)行。
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自旋鎖方法列表如下：
| 方法 | 描述 |
| spin_lock() | 獲取指定的自旋鎖 |
| spin_lock_irq() | 禁止本地中斷并獲取指定的鎖 |
| spin_lock_irqsave() | 保存本地中斷的當(dāng)前狀態(tài)，禁止本地中斷，并獲取指定的鎖 |
| spin_unlock() | 釋放指定的鎖 |
| spin_unlock_irq() | 釋放指定的鎖，并激活本地中斷 |
| spin_unlock_irqstore() | 釋放指定的鎖，并讓本地中斷恢復(fù)到以前狀態(tài) |
| spin_lock_init() | 動態(tài)初始化指定的spinlock_t |
| spin_trylock() | 試圖獲取指定的鎖，如果未獲取，則返回0 |
| spin_is_locked() | 如果指定的鎖當(dāng)前正在被獲取，則返回非0，否則返回0 |
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3. 讀寫自旋鎖
讀鎖之間是共享的
? 即一個線程持有了讀鎖之后，其他線程也可以以讀的方式持有這個鎖
? 即一個線程持有了寫鎖之后，其他線程不能以讀或者寫的方式持有這個鎖
? 即一個線程持有了讀鎖之后，其他線程不能以寫的方式持有這個鎖
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注：讀寫鎖要分別使用，不能混合使用，否則會造成死鎖。
正常的使用方法：
DEFINE_RWLOCK(mr_rwlock);read_lock(&mr_rwlock); /* 臨界區(qū)(只讀).... */ read_unlock(&mr_rwlock);write_lock(&mr_lock); /* 臨界區(qū)(讀寫)... */ write_unlock(&mr_lock);混合使用時：
/* 獲取一個讀鎖 */ read_lock(&mr_lock); /* 在獲取寫鎖的時候，由于讀寫鎖之間是互斥的，* 所以寫鎖會一直自旋等待讀鎖的釋放，* 而此時讀鎖也在等待寫鎖獲取完成后繼續(xù)下面的代碼。* 因此造成了讀寫鎖的互相等待，形成了死鎖。*/ write_lock(&mr_lock);?
讀寫鎖相關(guān)文件參照 各個體系結(jié)構(gòu)中的 <asm/rwlock.h>
讀寫鎖的相關(guān)函數(shù)如下：
| 方法 | 描述 |
| read_lock() | 獲取指定的讀鎖 |
| read_lock_irq() | 禁止本地中斷并獲得指定讀鎖 |
| read_lock_irqsave() | 存儲本地中斷的當(dāng)前狀態(tài)，禁止本地中斷并獲得指定讀鎖 |
| read_unlock() | 釋放指定的讀鎖 |
| read_unlock_irq() | 釋放指定的讀鎖并激活本地中斷 |
| read_unlock_irqrestore() | 釋放指定的讀鎖并將本地中斷恢復(fù)到指定前的狀態(tài) |
| write_lock() | 獲得指定的寫鎖 |
| write_lock_irq() | 禁止本地中斷并獲得指定寫鎖 |
| write_lock_irqsave() | 存儲本地中斷的當(dāng)前狀態(tài)，禁止本地中斷并獲得指定寫鎖 |
| write_unlock() | 釋放指定的寫鎖 |
| write_unlock_irq() | 釋放指定的寫鎖并激活本地中斷 |
| write_unlock_irqrestore() | 釋放指定的寫鎖并將本地中斷恢復(fù)到指定前的狀態(tài) |
| write_trylock() | 試圖獲得指定的寫鎖；如果寫鎖不可用，返回非0值 |
| rwlock_init() | 初始化指定的rwlock_t |
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4. 信號量
信號量也是一種鎖，和自旋鎖不同的是，線程獲取不到信號量的時候，不會像自旋鎖一樣循環(huán)的去試圖獲取鎖，
而是進(jìn)入睡眠，直至有信號量釋放出來時，才會喚醒睡眠的線程，進(jìn)入臨界區(qū)執(zhí)行。
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由于使用信號量時，線程會睡眠，所以等待的過程不會占用CPU時間。所以信號量適用于等待時間較長的臨界區(qū)。
信號量消耗的CPU時間的地方在于使線程睡眠和喚醒線程，
如果 （使線程睡眠 + 喚醒線程）的CPU時間 > 線程自旋等待的CPU時間，那么可以考慮使用自旋鎖。
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信號量有二值信號量和計數(shù)信號量2種，其中二值信號量比較常用。
二值信號量表示信號量只有2個值，即0和1。信號量為1時，表示臨界區(qū)可用，信號量為0時，表示臨界區(qū)不可訪問。
二值信號量表面看和自旋鎖很相似，區(qū)別在于爭用自旋鎖的線程會一直循環(huán)嘗試獲取自旋鎖，
而爭用信號量的線程在信號量為0時，會進(jìn)入睡眠，信號量可用時再被喚醒。
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計數(shù)信號量有個計數(shù)值，比如計數(shù)值為5，表示同時可以有5個線程訪問臨界區(qū)。
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信號量相關(guān)函數(shù)參照: <linux/semaphore.h> 實現(xiàn)方法參照：kernel/semaphore.c
使用信號量的方法如下：
/* 定義并聲明一個信號量，名字為mr_sem，用于信號量計數(shù) */ static DECLARE_MUTEX(mr_sem);/* 試圖獲取信號量....， 信號未獲取成功時，進(jìn)入睡眠* 此時，線程狀態(tài)為 TASK_INTERRUPTIBLE*/ down_interruptible(&mr_sem); /* 這里也可以用：* down(&mr_sem);* 這個方法把線程狀態(tài)置為 TASK_UNINTERRUPTIBLE 后睡眠*//* 臨界區(qū) ... *//* 釋放給定的信號量 */ up(&mr_sem);?
一般用的比較多的是down_interruptible()方法，因為以 TASK_UNINTERRUPTIBLE 方式睡眠無法被信號喚醒。
對于 TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 補(bǔ)充說明一下：
- TASK_INTERRUPTIBLE - 可打斷睡眠，可以接受信號并被喚醒，也可以在等待條件全部達(dá)成后被顯式喚醒(比如wake_up()函數(shù))。
- TASK_UNINTERRUPTIBLE - 不可打斷睡眠，只能在等待條件全部達(dá)成后被顯式喚醒(比如wake_up()函數(shù))。
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信號量方法如下：
| 方法 | 描述 |
| sema_init(struct semaphore *, int) | 以指定的計數(shù)值初始化動態(tài)創(chuàng)建的信號量 |
| init_MUTEX(struct semaphore *) | 以計數(shù)值1初始化動態(tài)創(chuàng)建的信號量 |
| init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *) | 以計數(shù)值0初始化動態(tài)創(chuàng)建的信號量（初始為加鎖狀態(tài)） |
| down_interruptible(struct semaphore *) | 以試圖獲得指定的信號量，如果信號量已被爭用，則進(jìn)入可中斷睡眠狀態(tài) |
| down(struct semaphore *) | 以試圖獲得指定的信號量，如果信號量已被爭用，則進(jìn)入不可中斷睡眠狀態(tài) |
| down_trylock(struct semaphore *) | 以試圖獲得指定的信號量，如果信號量已被爭用，則立即返回非0值 |
| up(struct semaphore *) | 以釋放指定的信號量，如果睡眠隊列不空，則喚醒其中一個任務(wù) |
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信號量結(jié)構(gòu)體具體如下：
/* Please don't access any members of this structure directly */ struct semaphore {spinlock_t lock;unsigned int count;struct list_head wait_list; };可以發(fā)現(xiàn)信號量結(jié)構(gòu)體中有個自旋鎖，這個自旋鎖的作用是保證信號量的down和up等操作不會被中斷處理程序打斷。
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5. 讀寫信號量
讀寫信號量和信號量之間的關(guān)系 與 讀寫自旋鎖和普通自旋鎖之間的關(guān)系 差不多。
讀寫信號量都是二值信號量，即計數(shù)值最大為1，增加讀者時，計數(shù)器不變，增加寫者，計數(shù)器才減一。
也就是說讀寫信號量保護(hù)的臨界區(qū)，最多只有一個寫者，但可以有多個讀者。
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讀寫信號量的相關(guān)內(nèi)容參見：<asm/rwsem.h> 具體實現(xiàn)與硬件體系結(jié)構(gòu)有關(guān)。
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6. 互斥體
互斥體也是一種可以睡眠的鎖，相當(dāng)于二值信號量，只是提供的API更加簡單，使用的場景也更嚴(yán)格一些，如下所示：
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在面對互斥體和信號量的選擇時，只要滿足互斥體的使用場景就盡量優(yōu)先使用互斥體。
在面對互斥體和自旋鎖的選擇時，參見下表：
| 需求 | 建議的加鎖方法 |
| 低開銷加鎖 | 優(yōu)先使用自旋鎖 |
| 短期鎖定 | 優(yōu)先使用自旋鎖 |
| 長期加鎖 | 優(yōu)先使用互斥體 |
| 中斷上下文中加鎖 | 使用自旋鎖 |
| 持有鎖需要睡眠 | 使用互斥體 |
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互斥體頭文件：<linux/mutex.h>
常用的互斥體方法如下：
| 方法 | 描述 |
| mutex_lock(struct mutex *) | 為指定的mutex上鎖，如果鎖不可用則睡眠 |
| mutex_unlock(struct mutex *) | 為指定的mutex解鎖 |
| mutex_trylock(struct mutex *) | 試圖獲取指定的mutex，如果成功則返回1；否則鎖被獲取，返回0 |
| mutex_is_locked(struct mutex *) | 如果鎖已被爭用，則返回1；否則返回0 |
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7. 完成變量
完成變量的機(jī)制類似于信號量，
比如一個線程A進(jìn)入臨界區(qū)之后，另一個線程B會在完成變量上等待，線程A完成了任務(wù)出了臨界區(qū)之后，使用完成變量來喚醒線程B。
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完成變量的頭文件：<linux/completion.h>
完成變量的API也很簡單：
| 方法 | 描述 |
| init_completion(struct completion *) | 初始化指定的動態(tài)創(chuàng)建的完成變量 |
| wait_for_completion(struct completion *) | 等待指定的完成變量接受信號 |
| complete(struct completion *) | 發(fā)信號喚醒任何等待任務(wù) |
使用完成變量的例子可以參考：kernel/sched.c 和 kernel/fork.c
一般在2個任務(wù)需要簡單同步的情況下，可以考慮使用完成變量。
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8. 大內(nèi)核鎖
大內(nèi)核鎖已經(jīng)不再使用，只存在與一些遺留的代碼中。
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9. 順序鎖
順序鎖為讀寫共享數(shù)據(jù)提供了一種簡單的實現(xiàn)機(jī)制。
之前提到的讀寫自旋鎖和讀寫信號量，在讀鎖被獲取之后，寫鎖是不能再被獲取的，
也就是說，必須等所有的讀鎖釋放后，才能對臨界區(qū)進(jìn)行寫入操作。
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順序鎖則與之不同，讀鎖被獲取的情況下，寫鎖仍然可以被獲取。
使用順序鎖的讀操作在讀之前和讀之后都會檢查順序鎖的序列值，如果前后值不符，則說明在讀的過程中有寫的操作發(fā)生，
那么讀操作會重新執(zhí)行一次，直至讀前后的序列值是一樣的。
do {/* 讀之前獲取 順序鎖foo 的序列值 */seq = read_seqbegin(&foo); ... } while(read_seqretry(&foo, seq)); /* 順序鎖foo此時的序列值!=seq 時返回true，反之返回false */順序鎖優(yōu)先保證寫鎖的可用，所以適用于那些讀者很多，寫者很少，且寫優(yōu)于讀的場景。
順序鎖的使用例子可以參考：kernel/timer.c和kernel/time/tick-common.c文件
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10. 禁止搶占
其實使用自旋鎖已經(jīng)可以防止內(nèi)核搶占了，但是有時候僅僅需要禁止內(nèi)核搶占，不需要像自旋鎖那樣連中斷都屏蔽掉。
這時候就需要使用禁止內(nèi)核搶占的方法了：
| 方法 | 描述 |
| preempt_disable() | 增加搶占計數(shù)值，從而禁止內(nèi)核搶占 |
| preempt_enable() | 減少搶占計算，并當(dāng)該值降為0時檢查和執(zhí)行被掛起的需調(diào)度的任務(wù) |
| preempt_enable_no_resched() | 激活內(nèi)核搶占但不再檢查任何被掛起的需調(diào)度的任務(wù) |
| preempt_count() | 返回?fù)屨加嫈?shù) |
這里的preempt_disable()和preempt_enable()是可以嵌套調(diào)用的，disable和enable的次數(shù)最終應(yīng)該是一樣的。
禁止搶占的頭文件參見：<linux/preempt.h>
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11. 順序和屏障
對于一段代碼，編譯器或者處理器在編譯和執(zhí)行時可能會對執(zhí)行順序進(jìn)行一些優(yōu)化，從而使得代碼的執(zhí)行順序和我們寫的代碼有些區(qū)別。
一般情況下，這沒有什么問題，但是在并發(fā)條件下，可能會出現(xiàn)取得的值與預(yù)期不一致的情況
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比如下面的代碼：
/* * 線程A和線程B共享的變量 a和b* 初始值 a=1, b=2*/ int a = 1, b = 2;/** 假設(shè)線程A 中對 a和b的操作*/ void Thread_A() {a = 5;b = 4; }/** 假設(shè)線程B 中對 a和b的操作*/ void Thread_B() {if (b == 4)printf("a = %d\n", a); }由于編譯器或者處理器的優(yōu)化，線程A中的賦值順序可能是b先賦值后，a才被賦值。
所以如果線程A中 b=4; 執(zhí)行完，a=5; 還沒有執(zhí)行的時候，線程B開始執(zhí)行，那么線程B打印的是a的初始值1。
這就與我們預(yù)期的不一致了，我們預(yù)期的是a在b之前賦值，所以線程B要么不打印內(nèi)容，如果打印的話，a的值應(yīng)該是5。
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在某些并發(fā)情況下，為了保證代碼的執(zhí)行順序，引入了一系列屏障方法來阻止編譯器和處理器的優(yōu)化。
| 方法 | 描述 |
| rmb() | 阻止跨越屏障的載入動作發(fā)生重排序 |
| read_barrier_depends() | 阻止跨越屏障的具有數(shù)據(jù)依賴關(guān)系的載入動作重排序 |
| wmb() | 阻止跨越屏障的存儲動作發(fā)生重排序 |
| mb() | 阻止跨越屏障的載入和存儲動作重新排序 |
| smp_rmb() | 在SMP上提供rmb()功能，在UP上提供barrier()功能 |
| smp_read_barrier_depends() | 在SMP上提供read_barrier_depends()功能，在UP上提供barrier()功能 |
| smp_wmb() | 在SMP上提供wmb()功能，在UP上提供barrier()功能 |
| smp_mb() | 在SMP上提供mb()功能，在UP上提供barrier()功能 |
| barrier() | 阻止編譯器跨越屏障對載入或存儲操作進(jìn)行優(yōu)化 |
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為了使得上面的小例子能正確執(zhí)行，用上表中的函數(shù)修改線程A的函數(shù)即可：
/** 假設(shè)線程A 中對 a和b的操作*/ void Thread_A() {a = 5;mb(); /* * mb()保證在對b進(jìn)行載入和存儲值(值就是4)的操作之前* mb()代碼之前的所有載入和存儲值的操作全部完成(即 a = 5;已經(jīng)完成)* 只要保證a的賦值在b的賦值之前進(jìn)行，那么線程B的執(zhí)行結(jié)果就和預(yù)期一樣了*/b = 4; }?
12. 總結(jié)
本節(jié)討論了大約11種內(nèi)核同步方法，除了大內(nèi)核鎖已經(jīng)不再推薦使用之外，其他各種鎖都有其適用的場景。
了解了各種同步方法的適用場景，才能正確的使用它們，使我們的代碼在安全的保障下達(dá)到最優(yōu)的性能。
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同步的目的就是為了保障數(shù)據(jù)的安全，其實就是保障各個線程之間共享資源的安全，下面根據(jù)共享資源的情況來討論一下10種同步方法的選擇。
10種同步方法在圖中分別用藍(lán)色框標(biāo)出。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的《Linux内核设计与实现》读书笔记（十）- 内核同步方法的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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