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1、linux,同步方法剖析-linux,同步方法剖析内核原子，自旋锁和互斥锁x linux 同步方法剖析-linux 同步方法剖析内核原子，自旋锁和互斥锁 linux 同步方法剖析 -linux 同步方法剖析内核原子，自旋锁和互斥锁 在学习 linux 的过程中，您也许接触过并发（concurrency）、临界段（critical section）和锁定，但是如何在内核中使用这些概念呢？本文讨论了 2.6 版内核中可用的锁定机制，包括原子运算符（atomic operator）、自旋锁（spinlock）、读/写锁（reader/writer lock）和内核信号量（kernel semapho

2、re）。 本文还探讨了每种机制最适合应用到哪些地方，以构建安全高效的内核代码。 本文讨论了 linux 内核中可用的大量同步或锁定机制。这些机制为 2.6.23 版内核的许多可用方法提供了应用程序接口（api）。但是在深入学习 api 之前，首先需要明白将要解决的问题。 并发和锁定 当存在并发特性时，必须使用同步方法。当在同一时间段出现两个或更多进程并且这些进程彼此交互（例如，共享相同的资源）时，就存在 并发 现象。 在单处理器（uniprocessor，up）主机上可能发生并发，在这种主机中多个线程共享同一个 cpu 并且抢占（preemption）创建竞态条件。 抢占 通过临时中断一个线程

3、以执行另一个线程的方式来实现 cpu 共享。 竞态条件 发生在两个或更多线程操纵一个共享数据项时，其结果取决于执行的时间。在多处理器（mp）计算机中也存在并发，其中每个处理器中共享相同数据的线程同时执行。注意在 mp 情况下存在真正的并行（parallelism），因为线程是同时执行的。而在 up 情形中，并行是通过抢占创建的。两种模式中实现并发都较为困难。 linux 内核在两种模式中都支持并发。内核本身是动态的，而且有许多创建竞态条件的方法。linux 内核也支持多处理（multiprocessing），称为对称多处理（smp）。可以在本文后面的 参考资料 部分学到更多关于 smp 的知识

4、。 临界段概念是为解决竞态条件问题而产生的。一个 临界段 是一段不允许多路访问的受保护的代码。这段代码可以操纵共享数据或共享服务（例如硬件外围设备）。临界段操作时坚持互斥锁（mutual exclusion）原则（当一个线程处于临界段中时，其他所有线程都不能进入临界段）。 临界段中需要解决的一个问题是死锁条件。考虑两个独立的临界段，各自保护不同的。每个资源拥有一个锁，在本例中称为 a 和 b。假设有两个线程需要访问这些资源，线程 x 获取了锁 a，线程 y 获取了锁 b。当这些锁都被持有时，每个线程都试图占有其他线程当前持有的锁（线程 x 想要锁 b，线程 y 想要锁 a）。这时候线程就被死锁

5、了，因为它们都持有一个锁而且还想要其他锁。一个简单的解决方案就是总是按相同次序获取锁，从而使其中一个线程得以完成。还需要其他解决方案检测这种情形。表 1 定义了此处用到的一些重要的并发术语。 表 1. 并发中的重要定义 术语 定义 竞态条件 两个或更多线程同时操作资源时将会导致不一致的结果。 临界段 用于协调对共享资源的访问的代码段。 互斥锁 确保对共享资源进行排他访问的软件特性。 死锁 由两个或更多进程和资源锁导致的一种特殊情形，将会降低进程的工作效率。 回页首 linux 同步方法 如果您了解了一些基本理论并且明白了需要解决的问题，接下来将学习 linux 支持并发和互斥锁的各种方法。在以

6、前，互斥锁是通过禁用中断来提供的，但是这种形式的锁定效率比较低（现在在内核中仍然存在这种用法）。这种方法也不能进行扩展，而且不能保证其他处理器上的互斥锁。 在以下关于锁定机制的讨论中，我们首先看一下原子运算符，它可以保护简单变量（计数器和位掩码（bitmask）。然后介绍简单的自旋锁和读/写锁，它们构成了一个 smp 架构的忙等待锁（busy-wait lock）覆盖。最后，我们讨论构建在原子 api 上的内核互斥锁。 回页首 原子操作 linux 中最简单的同步方法就是原子操作。 原子 意味着临界段被包含在 api 函数中。不需要额外的锁定，因为 api 函数已经包含了锁定。由于 c 不能实

7、现原子操作，因此 linux 依靠底层架构来提供这项功能。各种底层架构存在很大差异，因此原子函数的实现方法也各不相同。一些方法完全通过汇编语言来实现，而另一些方法依靠 c 语言并且使用 local_irq_save 和 local_irq_restore 禁用中断。 当需要保护的数据非常简单时，例如一个计数器，原子运算符是种理想的方法。尽管原理简单，原子 api 提供了许多针对不同情形的运算符。下面是一个使用此 api 的示例。 要声明一个原子变量（atomic variable），首先声明一个 atomic_t 类型的变量。这个结构包含了单个 int 元素。接下来，需确保您的原子变量使用 a

8、tomic_init 符号常量进行了初始化。 在清单 1 的情形中，原子计数器被设置为 0。也可以使用 atomic_set function 在运行时对原子变量进行初始化。 清单 1. 创建和初始化原子变量 atomic_t my_counter atomic_init(0); . or . atomic_set( my_counter, 0 ); 原子 api 支持一个涵盖许多用例的富函数集。可以使用 atomic_read 读取原子变量中的内容，也可以使用 atomic_add 为一个变量添加指定值。最常用的操作是使用 atomic_inc 使变量递增。也可用减号运算符，它的作用与相加和

9、递增操作相反。清单 2. 演示了这些函数。 清单 2. 简单的算术原子函数 val = atomic_read( my_counter ); atomic_add( 1, my_counter ); atomic_inc( my_counter ); atomic_sub( 1, my_counter ); atomic_dec( my_counter ); 该 api 也支持许多其他常用用例，包括 operate-and-test 例程。这些例程允许对原子变量进行操纵和测试（作为一个原子操作来执行）。一个叫做 atomic_add_negative 的特殊函数被添加到原子变量中，然后当结果值

10、为负数时返回真（true）。这被内核中一些依赖于架构的信号量函数使用。 许多函数都不返回变量的值，但两个函数除外。它们会返回结果值（ atomic_add_return 和 atomic_sub_return ），如清单 3 所示。 清单 3. operate-and-test 原子函数 if (atomic_sub_and_test( 1, my_counter ) / my_counter is zero if (atomic_dec_and_test( my_counter ) / my_counter is zero if (atomic_inc_and_test( my_counte

11、r ) / my_counter is zero if (atomic_add_negative( 1, my_counter ) / my_counter is less than zero val = atomic_add_return( 1, my_counter ); val = atomic_sub_return( 1, my_counter ); 如果您的架构支持 64 位长类型（ bits_per_long 是 64 的），那么 可以使用 long_t atomic 操作。可以在 linux/include/asm-generic/atomic.h 中查看可用的长操作（long

12、operation）。 原子 api 还支持位掩码（bitmask）操作。跟前面提到的算术操作不一样，它只包含设置和清除操作。许多驱动程序使用这些原子操作，特别是 scsi。位掩码原子操作的使用跟算术操作存在细微的差别，因为其中只有两个可用的操作（设置掩码和清除掩码）。使用这些操作前，需要提供一个值和将要进行操作的位掩码，如清单 4 所示。 清单 4. 位掩码原子函数 unsigned long my_bitmask; atomic_clear_mask( 0, my_bitmask ); atomic_set_mask( (124), my_bitmask ); 自旋锁 自旋锁是使用忙等待锁

13、来确保互斥锁的一种特殊方法。如果锁可用，则获取锁，执行互斥锁动作，然后释放锁。如果锁不可用，线程将忙等待该锁，直到其可用为止。忙等待看起来效率低下，但它实际上比将线程休眠然后当锁可用时将其唤醒要快得多。 自旋锁只在 smp 系统中才有用，但是因为您的代码最终将会在 smp 系统上运行，将它们添加到 up 系统是个明智的做法。 自旋锁有两种可用的形式：完全锁（full lock）和读写锁。 首先看一下完全锁。 首先通过一个简单的声明创建一个新的自旋锁。这可以通过调用 spin_lock_init 进行初始化。清单 5 中显示的每个变量都会实现相同的结果。 清单 5. 创建和初始化自旋锁 spin

14、lock_t my_spinlock = spin_lock_unlocked; . or . define_spinlock( my_spinlock ); . or . spin_lock_init( my_spinlock ); 定义了自旋锁之后，就可以使用大量的锁定变量了。每个变量用于不同的上下文。 清单 6 中显示了 spin_lock 和 spin_unlock 变量。这是一个最简单的变量，它不会执行中断禁用，但是包含全部的内存壁垒（memory barrier）。这个变量假定中断处理程序和该锁之间没有交互。 清单 6. 自旋锁 lock 和 unlock 函数 spin_lock

15、( my_spinlock ); / critical section spin_unlock( my_spinlock ); 接下来是 irqsave 和 irqrestore 对，如清单 7 所示。 spin_lock_irqsave 函数需要自旋锁，并且在本地处理器（在 smp 情形中）上禁用中断。spin_unlock_irqrestore 函数释放自旋锁，并且（通过 flags 参数）恢复中断。 清单 7. 自旋锁变量，其中禁用了本地 cpu 中断 spin_lock_irqsave( my_spinlock, flags ); / critical section spin_unl

16、ock_irqrestore( my_spinlock, flags ); spin_lock_irqsave / spin_unlock_irqrestore 的一个不太安全的变体是 spin_lock_irq / spin_unlock_irq 。 我建议不要使用此变体，因为它会假设中断状态。 最后，如果内核线程通过 bottom half 方式共享数据，那么可以使用自旋锁的另一个变体。bottom half 方法可以将设备驱动程序中的工作延迟到中断处理后执行。这种自旋锁禁用了本地 cpu 上的软中断。这可以阻止 softirq、tasklet 和 bottom half 在本地 cpu

17、上运行。这个变体如清单 8 所示。 清单 8. 自旋锁函数实现 bottom-half 交互 spin_lock_bh( my_spinlock ); / critical section spin_unlock_bh( my_spinlock ); 回页首 读/ 写锁 在许多情形下，对数据的访问是由大量的读和少量的写操作来完成的（读取数据比写入数据更常见）。读/写锁的创建就是为了支持这种模型。这个模型有趣的地方在于允许多个线程同时访问相同数据，但同一时刻只允许一个线程写入数据。如果执行写操作的线程持有此锁，则临界段不能由其他线程读取。如果一个执行读操作的线程持有此锁，那么多个读线程都可以进入

18、临界段。清单 9 演示了这个模型。 清单 9. 读 / 写自旋锁函数 rwlock_t my_rwlock; rwlock_init( my_rwlock ); write_lock( my_rwlock ); / critical section - can read and write write_unlock( my_rwlock ); read_lock( my_rwlock ); / critical section - can read only read_unlock( my_rwlock ); 根据对锁的需求，还针对 bottom half 和中断请求（irq）对读/写自旋锁进

19、行了修改。显然，如果您使用的是原版的读/写锁，那么按照标准自旋锁的用法使用这个自旋锁，而不区分读线程和写线程。 回页首 内核互斥锁 在内核中可以使用互斥锁来实现信号量行为。内核互斥锁是在原子 api 之上实现的，但这对于内核用户是不可见的。互斥锁很简单，但是有一些规则必须.。同一时间只能有一个任务持有互斥锁，而且只有这个任务可以对互斥锁进行解锁。互斥锁 不能进行递归锁定或解锁，并且互斥锁可能不能用于交互上下文。但是互斥锁比当前的内核信号量选项更快，并且更加紧凑，因此如果它们满足您的需求，那么它们将是您明智的选择。 可以通过 define_mutex 宏使用一个操作创建和初始化互斥锁。这将创建一

20、个新的互斥锁并初始化其结构。可以在 ./linux/include/linux/mutex.h 中查看该实现。 define_mutex( my_mutex ); 互斥锁 api 提供了 5 个函数：其中 3 个用于锁定，一个用于解锁，另一个用于测试互斥锁。首先看一下锁定函数。在需要立即锁定以及希望在互斥锁不可用时掌握控制的情形下，可以使用第一个函数 mutex_trylock 。该函数如清单 10 所示。 清单 10. 尝试使用 mutex_trylock 获得互斥锁 ret = mutex_trylock( my_mutex ); if (ret != 0) / got the lock!

21、 else / did not get the lock 如果想等待这个锁，可以调用 mutex_lock 。这个调用在互斥锁可用时返回，否则，在互斥锁锁可用之前它将休眠。无论在哪种情形中，当控制被返回时，调用者将持有互斥锁。最后，当调用者休眠时使用 mutex_lock_interruptible 。在这种情况下，该函数可能返回 -eintr 。清单 11 中显示了这两种调用。 清单 11. 锁定一个可能处于休眠状态的互斥锁 mutex_lock( my_mutex ); / lock is now held by the caller. if (mutex_lock_interruptible( my_mutex ) != 0) / interrupted by a signal, no mutex held 当一个互斥锁被锁定后，