Linux內核的同步機制(1)

yanqin | 2009-04-16 14:51:09 ?? 閱讀：791

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一、 引言

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%A 在現代操作系統里，同一時間可能有多個內核執行流在執行，因此內核其實象多進程多線程編程一樣也需要一些同步機制來同步各執行單元對共享數據的訪問。尤其是在多處理器系統上，更需要一些同步機制來同步不同處理器上的執行單元對共享的數據的訪問。在主流的Linux內核中包含了幾乎所有現代的操作系統具有的同步機制，這些同步機制包括：原子操作、信號量(semaphore)、讀寫信號量(rw_semaphore)、spinlock、BKL(Big Kernel Lock)、rwlock、brlock(只包含在2.4內核中)、RCU(只包含在2.6內核中)和seqlock(只包含在2.6內核中)。

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%A 二、原子操作

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%A 所謂原子操作，就是該操作絕不會在執行完畢前被任何其他任務或事件打斷，也就說，它的最小的執行單位，不可能有比它更小的執行單位，因此這里的原子實際是使用了物理學里的物質微粒的概念。

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%A 原子操作需要硬件的支持，因此是架構相關的，其API和原子類型的定義都定義在內核源碼樹的include/asm/atomic.h文件中，它們都使用匯編語言實現，因為C語言并不能實現這樣的操作。

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%A 原子操作主要用于實現資源計數，很多引用計數(refcnt)就是通過原子操作實現的.

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%A 三、信號量(semaphore)

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%A Linux內核的信號量在概念和原理上與用戶態的System V的IPC機制信號量是一樣的，但是它絕不可能在內核之外使用，因此它與System V的IPC機制信號量毫不相干。

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%A 信號量在創建時需要設置一個初始值，表示同時可以有幾個任務可以訪問該信號量保護的共享資源，初始值為1就變成互斥鎖(Mutex)，即同時只能有一個任務可以訪問信號量保護的共享資源。一個任務要想訪問共享資源，首先必須得到信號量，獲取信號量的操作將把信號量的值減1，若當前信號量的值為負數，表明無法獲得信號量，該任務必須掛起在該信號量的等待隊列等待該信號量可用；若當前信號量的值為非負數，表示可以獲得信號量，因而可以立刻訪問被該信號量保護的共享資源。當任務訪問完被信號量保護的共享資源后，必須釋放信號量，釋放信號量通過把信號量的值加1實現，如果信號量的值為非正數，表明有任務等待當前信號量，因此它也喚醒所有等待該信號量的任務。

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%A 四、讀寫信號量(rw_semaphore)

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%A 讀寫信號量對訪問者進行了細分，或者為讀者，或者為寫者，讀者在保持讀寫信號量期間只能對該讀寫信號量保護的共享資源進行讀訪問，如果一個任務除了需要讀，可能還需要寫，那么它必須被歸類為寫者，它在對共享資源訪問之前必須先獲得寫者身份，寫者在發現自己不需要寫訪問的情況下可以降級為讀者。讀寫信號量同時擁有的讀者數不受限制，也就說可以有任意多個讀者同時擁有一個讀寫信號量。如果一個讀寫信號量當前沒有被寫者擁有并且也沒有寫者等待讀者釋放信號量，那么任何讀者都可以成功獲得該讀寫信號量；否則，讀者必須被掛起直到寫者釋放該信號量。如果一個讀寫信號量當前沒有被讀者或寫者擁有并且也沒有寫者等待該信號量，那么一個寫者可以成功獲得該讀寫信號量，否則寫者將被掛起，直到沒有任何訪問者。因此，寫者是排他性的，獨占性的。

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%A 讀寫信號量有兩種實現，一種是通用的，不依賴于硬件架構，因此，增加新的架構不需要重新實現它，但缺點是性能低，獲得和釋放讀寫信號量的開銷大；另一種是架構相關的，因此性能高，獲取和釋放讀寫信號量的開銷小，但增加新的架構需要重新實現。在內核配置時，可以通過選項去控制使用哪一種實現。

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%A 五、自旋鎖(spinlock)

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%A 自旋鎖與互斥鎖有點類似，只是自旋鎖不會引起調用者睡眠，如果自旋鎖已經被別的執行單元保持，調用者就一直循環在那里看是否該自旋鎖的保持者已經釋放了鎖，"自旋"一詞就是因此而得名。由于自旋鎖使用者一般保持鎖時間非常短，因此選擇自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋鎖的效率遠高于互斥鎖。

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%A 信號量和讀寫信號量適合于保持時間較長的情況，它們會導致調用者睡眠，因此只能在進程上下文使用(_trylock的變種能夠在中斷上下文使用)，而自旋鎖適合于保持時間非常短的情況，它可以在任何上下文使用。如果被保護的共享資源只在進程上下文訪問，使用信號量保護該共享資源非常合適，如果對共巷資源的訪問時間非常短，自旋鎖也可以。但是如果被保護的共享資源需要在中斷上下文訪問(包括底半部即中斷處理句柄和頂半部即軟中斷)，就必須使用自旋鎖。

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%A 自旋鎖保持期間是搶占失效的，而信號量和讀寫信號量保持期間是可以被搶占的。自旋鎖只有在內核可搶占或SMP的情況下才真正需要，在單CPU且不可搶占的內核下，自旋鎖的所有操作都是空操作。

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%A 跟互斥鎖一樣，一個執行單元要想訪問被自旋鎖保護的共享資源，必須先得到鎖，在訪問完共享資源后，必須釋放鎖。如果在獲取自旋鎖時，沒有任何執行單元保持該鎖，那么將立即得到鎖；如果在獲取自旋鎖時鎖已經有保持者，那么獲取鎖操作將自旋在那里，直到該自旋鎖的保持者釋放了鎖。

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%A 無論是互斥鎖，還是自旋鎖，在任何時刻，最多只能有一個保持者，也就說，在任何時刻最多只能有一個執行單元獲得鎖。

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總結

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