內(nèi)核中用于臨界區(qū)保護(hù)下的互斥機(jī)制，它包括自旋鎖、原子操作和信號量，三者保證了對臨界資源訪問的互斥型。

1.1 內(nèi)核中的互斥機(jī)制

1.1.1 自旋鎖

自旋鎖用在多個(gè)CPU系統(tǒng)中。當(dāng)一個(gè)線程在一個(gè)CPU上正使用資源，而另一個(gè)線程在另一個(gè)CPU上正忙等待這個(gè)資源的時(shí)候，就會用到自旋鎖來保護(hù)臨界資源。在單處理器系統(tǒng)中，自旋鎖函數(shù)擴(kuò)展為空。

自旋鎖基于共享變量。函數(shù)通過給變量設(shè)置一個(gè)值來獲得鎖，其他需要鎖的函數(shù)就會查詢它，并知道鎖現(xiàn)在不可用，然后在一個(gè)忙等待的循環(huán)中“自旋”，直到鎖可用為止。

由于使用自旋鎖時(shí)，其他CPU被強(qiáng)制等待。因此持有自旋鎖的函數(shù)不能花費(fèi)過長時(shí)間。

下面說明操作自旋鎖的宏：

• spin_loc(spinlock_t *lock):獲得給定的鎖，直到鎖成為可用狀態(tài)為止。在spin_lock返回之后，調(diào)用函數(shù)將擁有該鎖。
• spin_lock_irq(spinlock_t *lock):類似spin_lock_irqsave，只是不保存當(dāng)前的中斷狀態(tài)。
• spin_lock_bh(spinlock_t *lock):獲得給定的鎖并且阻止底半部的執(zhí)行。
• spin_unlock(spinlock_t *lock):此宏開鎖，它與前面加鎖的宏是配對使用的。spin_unlock解開給定的鎖而不做其他的工作。
• spin_unlock_irq(spinlock_t *lock):此宏開鎖，它與前面加鎖的宏是配對使用的。spin_unlock_irq無條件地啟動(dòng)中斷。
• spin_unlock_bh(spinlock_t *lock):此宏開鎖，它與前面加鎖的宏是配對使用的。spin_unlock_bh重新啟動(dòng)底半部處理。

linux還有另外一種類型的自旋鎖，稱為“讀者/寫者自旋鎖”。讀者/寫者問題，即如果有多個(gè)線程（進(jìn)程、中斷處理程序、底半部例程）需要以只讀的方式訪問一個(gè)臨界區(qū)數(shù)據(jù)，眾多的讀者之間不會彼此干預(yù)，而只有寫者之間會產(chǎn)生競爭。

? 自旋鎖它是為為實(shí)現(xiàn)保護(hù)共享資源而提出一種鎖機(jī)制。其實(shí)，自旋鎖與互斥鎖比較類似，它們都是為了解決對某項(xiàng)資源的互斥使用。無論是互斥鎖，還是自旋鎖，在任何時(shí)刻，最多只能有一個(gè)保持者，也就說，在任何時(shí)刻最多只能有一個(gè)執(zhí)行單元獲得鎖。但是兩者在調(diào)度機(jī)制上略有不同。對于互斥鎖，如果資源已經(jīng)被占用，資源申請者只能進(jìn)入睡眠狀態(tài)。但是自旋鎖不會引起調(diào)用者睡眠，如果自旋鎖已經(jīng)被別的執(zhí)行單元保持，調(diào)用者就一直循環(huán)在那里看是否該自旋鎖的保持者已經(jīng)釋放了鎖，"自旋"一詞就是因此而得名。

?

自旋鎖一般原理

跟互斥鎖一樣，一個(gè)執(zhí)行單元要想訪問被自旋鎖保護(hù)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(shí)，沒有任何執(zhí)行單元保持該鎖，那么將立即得到鎖；如果在獲取自旋鎖時(shí)鎖已經(jīng)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。由此我們可以看出，自旋鎖是一種比較低級的保護(hù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或代碼片段的原始方式，這種鎖可能存在兩個(gè)問題：死鎖和過多占用cpu資源。

?

自旋鎖適用情況

自旋鎖比較適用于鎖使用者保持鎖時(shí)間比較短的情況。正是由于自旋鎖使用者一般保持鎖時(shí)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(yuǎn)高于互斥鎖。信號量和讀寫信號量適合于保持時(shí)間較長的情況，它們會導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因此只能在進(jìn)程上下文使用，而自旋鎖適合于保持時(shí)間非常短的情況，它可以在任何上下文使用。如果被保護(hù)的共享資源只在進(jìn)程上下文訪問，使用信號量保護(hù)該共享資源非常合適，如果對共享資源的訪問時(shí)間非常短，自旋鎖也可以。但是如果被保護(hù)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。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(nèi)核可搶占或SMP（多處理器）的情況下才真正需要，在單CPU且不可搶占的內(nèi)核下，自旋鎖的所有操作都是空操作。另外格外注意一點(diǎn)：自旋鎖不能遞歸使用。

?

關(guān)于自旋鎖的定義以及相應(yīng)的API

自旋鎖定義:? linux/Spinlock.h

typedef struct spinlock {union { //聯(lián)合struct raw_spinlock rlock; #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC # define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))struct{u8 __padding[LOCK_PADSIZE];struct lockdep_map dep_map;}; #endif}; } spinlock_t;

?定義和初始化

spinlock_t my_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED; void spin_lock_init(spinlock_t *lock);

自旋鎖操作：

//加鎖一個(gè)自旋鎖函數(shù) void spin_lock(spinlock_t *lock); //獲取指定的自旋鎖 void spin_lock_irq(spinlock_t *lock); //禁止本地中斷獲取指定的鎖 void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags); //保存本地中斷的狀態(tài),禁止本地中斷,并獲取指定的鎖 void spin_lock_bh(spinlock_t *lock) //安全地避免死鎖, 而仍然允許硬件中斷被服務(wù)//釋放一個(gè)自旋鎖函數(shù) void spin_unlock(spinlock_t *lock); //釋放指定的鎖 void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock); //釋放指定的鎖,并激活本地中斷 void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags); //釋放指定的鎖,并讓本地中斷恢復(fù)到以前的狀態(tài) void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock); //對應(yīng)于spin_lock_bh//非阻塞鎖 int spin_trylock(spinlock_t *lock); //試圖獲得某個(gè)特定的自旋鎖,如果該鎖已經(jīng)被爭用,該方法會立刻返回一個(gè)非0值,//而不會自旋等待鎖被釋放,如果成果獲得了這個(gè)鎖,那么就返回0. int spin_trylock_bh(spinlock_t *lock); //這些函數(shù)成功時(shí)返回非零( 獲得了鎖 ), 否則 0. 沒有"try"版本來禁止中斷.//其他 int spin_is_locked(spinlock_t *lock); //和try_lock()差不多

?1.2 原子操作

原子操作指某些操作的執(zhí)行不可中斷。原子操作分為bitops和atomic_兩類。在原子操作中，常遇到聲明volatile。將變量聲明為volatile時(shí)，系統(tǒng)會阻止編譯器對給值進(jìn)行優(yōu)化，確保變量使用了用戶定義的精確地址，而不是裝有同一信息的一些別名。

bitops原子操作方式是在一些標(biāo)志的設(shè)置需要進(jìn)行原子操作的情況下使用的。原子的位操作是非?？斓?#xff0c;使用單條機(jī)器指令來完成操作。

atomic_t原子操作方式用于加減之類的運(yùn)算，這個(gè)操作是原子性的，它用單條機(jī)器指令來完成操作。

?1.3 信號量

進(jìn)程間對共享資源的互斥訪問是通過信號量機(jī)制來實(shí)現(xiàn)的。內(nèi)核中提供了函數(shù)down和函數(shù)up對信號量進(jìn)行操作。

信號量和自旋鎖有一定的區(qū)別，用信號量的down操作如果無法得到資源，那就會進(jìn)入等待隊(duì)列，通過調(diào)度去運(yùn)行其他進(jìn)程。而在自旋鎖中，如果無法得到資源，將進(jìn)入忙等待，直到得到資源。因此，如果資源被占用時(shí)間很短，則使用自旋鎖較好，因?yàn)樗晒?jié)約調(diào)度時(shí)間。如果資源被占用的時(shí)間較長，使用信號量較好，因?yàn)榭勺孋PU調(diào)度去做其他進(jìn)程的工作。

信號量的實(shí)現(xiàn)包括信號量的初始化及函數(shù)up和函數(shù)down的實(shí)現(xiàn)。

1.3.1信號量

?信號量又稱為信號燈，它是用來協(xié)調(diào)不同進(jìn)程間的數(shù)據(jù)對象的，而最主要的應(yīng)用是共享內(nèi)存方式的進(jìn)程間通信。本質(zhì)上，信號量是一個(gè)計(jì)數(shù)器，它用來記錄對某個(gè)資源（如共享內(nèi)存）的存取狀況。一般說來，為了獲得共享資源，進(jìn)程需要執(zhí)行下列操作：?
　　 （1） 測試控制該資源的信號量。?
　　 （2） 若此信號量的值為正，則允許進(jìn)行使用該資源。進(jìn)程將信號量減1。?
　　 （3）?若此信號量為0，則該資源目前不可用，進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直至信號量值大于0，進(jìn)程被喚醒，轉(zhuǎn)入步驟（1）。?
　　 （4）?當(dāng)進(jìn)程不再使用一個(gè)信號量控制的資源時(shí)，信號量值加1。如果此時(shí)有進(jìn)程正在睡眠等待此信號量，則喚醒此進(jìn)程。?
　 　 維護(hù)信號量狀態(tài)的是Linux內(nèi)核操作系統(tǒng)而不是用戶進(jìn)程。我們可以從頭文件/usr/src/linux/include/linux/sem.h?中看到內(nèi)核用來維護(hù)信號量狀態(tài)的各個(gè)結(jié)構(gòu)的定義。信號量是一個(gè)數(shù)據(jù)集合，用戶可以單獨(dú)使用這一集合的每個(gè)元素。要調(diào)用的第一個(gè)函數(shù)是semget，用以獲得一個(gè)信號量ID。Linux2.6.26下定義的信號量結(jié)構(gòu)體：

struct semaphore {spinlock_t lock;unsigned int count;struct list_head wait_list; };

從以上信號量的定義中，可以看到信號量底層使用到了spin lock的鎖定機(jī)制，這個(gè)spinlock主要用來確保對count成員的原子性的操作(count--)和測試(count > 0)。

1.信號量的P操作：
(1).void down(struct semaphore *sem);
(2).int down_interruptible(struct semaphore *sem);
(3).int down_trylock(struct semaphore *sem);

說明：

(1)中的函數(shù)根據(jù)2.6.26中的代碼注釋，這個(gè)函數(shù)已經(jīng)out了(Use of this function is deprecated)，所以從實(shí)用角度，徹底忘了它吧。

(2)最常用，函數(shù)原型

/** * down_interruptible - acquire the semaphore unless interrupted * @sem: the semaphore to be acquired * * Attempts to acquire the semaphore. If no more tasks are allowed to * acquire the semaphore, calling this function will put the task to sleep. * If the sleep is interrupted by a signal, this function will return -EINTR. * If the semaphore is successfully acquired, this function returns 0. */ int down_interruptible(struct semaphore *sem) {unsigned long flags;int result = 0;spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);if (likely(sem->count > 0))sem->count--;elseresult = __down_interruptible(sem);spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);return result; }

對此函數(shù)的理解：在保證原子操作的前提下，先測試count是否大于0，如果是說明可以獲得信號量，這種情況下需要先將count--，以確保別的進(jìn)程能否獲得該信號量，然后函數(shù)返回，其調(diào)用者開始進(jìn)入臨界區(qū)。如果沒有獲得信號量，當(dāng)前進(jìn)程利用struct semaphore 中wait_list加入等待隊(duì)列，開始睡眠。

對于需要休眠的情況，在__down_interruptible()函數(shù)中，會構(gòu)造一個(gè)struct semaphore_waiter類型的變量（struct semaphore_waiter定義如下：

struct semaphore_waiter { struct list_head list; struct task_struct *task; int up; };

將當(dāng)前進(jìn)程賦給task，并利用其list成員將該變量的節(jié)點(diǎn)加入到以sem中的wait_list為頭部的一個(gè)列表中，假設(shè)有多個(gè)進(jìn)程在sem上調(diào)用down_interruptible，則sem的wait_list上形成的隊(duì)列如下圖：

(注：將一個(gè)進(jìn)程阻塞，一般的經(jīng)過是先把進(jìn)程放到等待隊(duì)列中，接著改變進(jìn)程的狀態(tài)，比如設(shè)為TASK_INTERRUPTIBLE，然后調(diào)用調(diào)度函數(shù)schedule()，后者將會把當(dāng)前進(jìn)程從cpu的運(yùn)行隊(duì)列中摘下)

(3)試圖去獲得一個(gè)信號量，如果沒有獲得，函數(shù)立刻返回1而不會讓當(dāng)前進(jìn)程進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

?

2.信號量的V操作

void up(struct semaphore *sem)；

原型如下：

/** * up - release the semaphore * @sem: the semaphore to release * * Release the semaphore. Unlike mutexes, up() may be called from any * context and even by tasks which have never called down(). */ void up(struct semaphore *sem) {unsigned long flags;spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);if (likely(list_empty(&sem->wait_list)))sem->count++;else__up(sem);spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags); }

?如果沒有其他線程等待在目前即將釋放的信號量上，那么只需將count++即可。如果有其他線程正因?yàn)榈却撔盘柫慷?#xff0c;那么調(diào)用__up.

?__up的定義：

static noinline void __sched __up(struct semaphore *sem) {struct semaphore_waiter *waiter = list_first_entry(&sem->wait_list, struct semaphore_waiter, list);list_del(&waiter->list);waiter->up = 1;wake_up_process(waiter->task); }

這個(gè)函數(shù)首先獲得sem所在的wait_list為頭部的鏈表的第一個(gè)有效節(jié)點(diǎn)，然后從鏈表中將其刪除，然后喚醒該節(jié)點(diǎn)上睡眠的進(jìn)程。
由此可見，對于sem上的每次down_interruptible調(diào)用，都會在sem的wait_list鏈表尾部加入一新的節(jié)點(diǎn)。對于sem上的每次up調(diào)用，都會刪除掉wait_list鏈表中的第一個(gè)有效節(jié)點(diǎn)，并喚醒睡眠在該節(jié)點(diǎn)上的進(jìn)程。

?

關(guān)于Linux環(huán)境下信號量其他API 詳見LKD和ULD

?1.4 互斥體

??????互斥體實(shí)現(xiàn)了“互相排斥”（mutual exclusion）同步的簡單形式（所以名為互斥體(mutex)）?；コ怏w禁止多個(gè)線程同時(shí)進(jìn)入受保護(hù)的代碼“臨界區(qū)”（critical section）。因此，在任意時(shí)刻，只有一個(gè)線程被允許進(jìn)入這樣的代碼保護(hù)區(qū)。
　　任何線程在進(jìn)入臨界區(qū)之前，必須獲取（acquire）與此區(qū)域相關(guān)聯(lián)的互斥體的所有權(quán)。如果已有另一線程擁有了臨界區(qū)的互斥體，其他線程就不能再進(jìn)入其中。這些線程必須等待，直到當(dāng)前的屬主線程釋放（release）該互斥體。
　　什么時(shí)候需要使用互斥體呢？互斥體用于保護(hù)共享的易變代碼，也就是，全局或靜態(tài)數(shù)據(jù)。這樣的數(shù)據(jù)必須通過互斥體進(jìn)行保護(hù)，以防止它們在多個(gè)線程同時(shí)訪問時(shí)損壞

?Linux 2.6.26中mutex的定義：

struct mutex {/* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */atomic_t count;spinlock_t wait_lock;struct list_head wait_list; #ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXESstruct thread_info *owner;const char *name;void *magic; #endif #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOCstruct lockdep_map dep_map; #endif };

對比前面的struct semaphore，struct mutex除了增加了幾個(gè)作為debug用途的成員變量外，和semaphore幾乎長得一樣。但是mutex的引入主要是為了提供互斥機(jī)制，以避免多個(gè)進(jìn)程同時(shí)在一個(gè)臨界區(qū)中運(yùn)行。

如果靜態(tài)聲明一個(gè)count=1的semaphore變量，可以使用DECLARE_MUTEX(name)，DECLARE_MUTEX(name)實(shí)際上是定義一個(gè)semaphore，所以它的使用應(yīng)該對應(yīng)信號量的P,V函數(shù).

如果要定義一個(gè)靜態(tài)mutex型變量，應(yīng)該使用DEFINE_MUTEX

如果在程序運(yùn)行期要初始化一個(gè)mutex變量，可以使用mutex_init（mutex），mutex_init是個(gè)宏，在該宏定義的內(nèi)部，會調(diào)用__mutex_init函數(shù)。

#define mutex_init(mutex) \ do { \static struct lock_class_key __key; \\ __mutex_init((mutex), #mutex, &__key); \ } while (0)

__mutex_init定義如下：

/*** * mutex_init - initialize the mutex * @lock: the mutex to be initialized * * Initialize the mutex to unlocked state. * * It is not allowed to initialize an already locked mutex. */ void __mutex_init(struct mutex *lock, const char *name, struct lock_class_key *key) {atomic_set(&lock->count, 1);spin_lock_init(&lock->wait_lock);INIT_LIST_HEAD(&lock->wait_list);debug_mutex_init(lock, name, key); }

從__mutex_init的定義可以看出，在使用mutex_init宏來初始化一個(gè)mutex變量時(shí)，應(yīng)該使用mutex的指針型。

?

mutex上的P,V操作：void mutex_lock(struct mutex *lock)和void __sched mutex_unlock(struct mutex *lock)

????? 從原理上講，mutex實(shí)際上是count=1情況下的semaphore，所以其PV操作應(yīng)該和semaphore是一樣的。但是在實(shí)際的Linux代碼上，出于性能優(yōu)化的角度，并非只是單純的重用down_interruptible和up的代碼。以ARM平臺的mutex_lock為例，實(shí)際上是將mutex_lock分成兩部分實(shí)現(xiàn)：fast?
path和slow path，主要是基于這樣一個(gè)事實(shí)：在絕大多數(shù)情況下，試圖獲得互斥體的代碼總是可以成功獲得。所以Linux的代碼針對這一事實(shí)用ARM?
V6上的LDREX和STREX指令來實(shí)現(xiàn)fast path以期獲得最佳的執(zhí)行性能。這里對于mutex的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，不再多說，如欲深入了解，參考APUE和ULD

1.5?信號量、互斥體和自旋鎖的區(qū)別

信號量/互斥體和自旋鎖的區(qū)別

信號量/互斥體允許進(jìn)程睡眠屬于睡眠鎖，自旋鎖則不允許調(diào)用者睡眠，而是讓其循環(huán)等待，所以有以下區(qū)別應(yīng)用?
??? 1）、信號量和讀寫信號量適合于保持時(shí)間較長的情況，它們會導(dǎo)致調(diào)用者睡眠，因而自旋鎖適合于保持時(shí)間非常短的情況
??? 2）、自旋鎖可以用于中斷，不能用于進(jìn)程上下文(會引起死鎖)。而信號量不允許使用在中斷中，而可以用于進(jìn)程上下文
??? 3）、自旋鎖保持期間是搶占失效的，自旋鎖被持有時(shí)，內(nèi)核不能被搶占，而信號量和讀寫信號量保持期間是可以被搶占的
???
另外需要注意的是
?? ? 1）、信號量鎖保護(hù)的臨界區(qū)可包含可能引起阻塞的代碼，而自旋鎖則絕對要避免用來保護(hù)包含這樣代碼的臨界區(qū)，因?yàn)樽枞馕吨M(jìn)行進(jìn)程的切換，如果進(jìn)程被切換出去后，另一進(jìn)程企圖獲取本自旋鎖，死鎖就會發(fā)生。
???? 2）、在你占用信號量的同時(shí)不能占用自旋鎖，因?yàn)樵谀愕却盘柫繒r(shí)可能會睡眠，而在持有自旋鎖時(shí)是不允許睡眠的。

?

?信號量和互斥體之間的區(qū)別

?

概念上的區(qū)別： ????

????? 信號量：是進(jìn)程間（線程間）同步用的，一個(gè)進(jìn)程（線程）完成了某一個(gè)動(dòng)作就通過信號量告訴別的進(jìn)程（線程），別的進(jìn)程（線程）再進(jìn)行某些動(dòng)作。有二值和多值信號量之分。

???? 互斥鎖：是線程間互斥用的，一個(gè)線程占用了某一個(gè)共享資源，那么別的線程就無法訪問，直到這個(gè)線程離開，其他的線程才開始可以使用這個(gè)共享資源。可以把互斥鎖看成二值信號量。 ?

?

上鎖時(shí)：

???? 信號量: 只要信號量的value大于0，其他線程就可以sem_wait成功，成功后信號量的value減一。若value值不大于0，則sem_wait阻塞，直到sem_post釋放后value值加一。一句話，信號量的value>=0。

???? 互斥鎖: 只要被鎖住，其他任何線程都不可以訪問被保護(hù)的資源。如果沒有鎖，獲得資源成功，否則進(jìn)行阻塞等待資源可用。一句話，線程互斥鎖的vlaue可以為負(fù)數(shù)。 ?

?

使用場所：

??? ?信號量主要適用于進(jìn)程間通信，當(dāng)然，也可用于線程間通信。而互斥鎖只能用于線程間通信。

?

創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎(jiǎng)勵(lì)來咯，堅(jiān)持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎(jiǎng)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的内核同步机制的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯(cuò)，歡迎將生活随笔推薦給好友。