原子、信号量、互斥锁、自旋锁

1、一、原子操作 所谓原子操作，就是该操作绝不会在执行完毕前被任何其他任务或事件打断，也就说，它的最小的执行单位，不可能有比它更小的执行单位，因此这里的原子实际是使用了物理学里的物质微粒的概念。 原子操作需要硬件的支持，因此是架构相关的，其API和原子类型的定义都定义在内核源码树的include/asm/atomic.h文件中，它们都使用汇编语言实现，因为C语言并不能实现这样的操作。 原子操作主要用于实现资源计数，很多引用计数(refcnt)就是通过原子操作实现的。原子类型定义如下： typedef struct volatile int counter; atomic_t; volatile修饰

2、字段告诉gcc不要对该类型的数据做优化处理，对它的访问都是对内存的访问，而不是对寄存器的访问。 原子操作API包括： atomic_read(atomic_t * v); 该函数对原子类型的变量进行原子读操作，它返回原子类型的变量v的值。 atomic_set(atomic_t * v, int i); 该函数设置原子类型的变量v的值为i。 void atomic_add(int i, atomic_t *v); 该函数给原子类型的变量v增加值i。 atomic_sub(int i, atomic_t *v); 该函数从原子类型的变量v中减去i。 int atomic_sub_and_test

3、(int i, atomic_t *v); 该函数从原子类型的变量v中减去i，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。 void atomic_inc(atomic_t *v); 该函数对原子类型变量v原子地增加1。 void atomic_dec(atomic_t *v); 该函数对原子类型的变量v原子地减1。 int atomic_dec_and_test(atomic_t *v); 该函数对原子类型的变量v原子地减1，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。 int atomic_inc_and_test(atomic_t *v); 该函数对原子类型的变量v原子地增加

4、1，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。 int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v); 该函数对原子类型的变量v原子地增加I，并判断结果是否为负数，如果是，返回真，否则返回假。 int atomic_add_return(int i, atomic_t *v); 该函数对原子类型的变量v原子地增加i，并且返回指向v的指针。 int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v); 该函数从原子类型的变量v中减去i，并且返回指向v的指针。 int atomic_inc_return(atomic_t * v);

5、 该函数对原子类型的变量v原子地增加1并且返回指向v的指针。 int atomic_dec_return(atomic_t * v); 该函数对原子类型的变量v原子地减1并且返回指向v的指针。 原子操作通常用于实现资源的引用计数，在TCP/IP协议栈的IP碎片处理中，就使用了引用计数，碎片队列结构struct ipq描述了一个IP碎片，字段refcnt就是引用计数器，它的类型为atomic_t，当创建IP碎片时（在函数ip_frag_create中），使用atomic_set函数把它设置为1，当引用该IP碎片时，就使用函数atomic_inc把引用计数加1。 当不需要引用该IP碎片时，就使用函

6、数ipq_put来释放该IP碎片，ipq_put使用函数atomic_dec_and_test把引用计数减1并判断引用计数是否为0，如果是就释放IP碎片。函数ipq_kill把IP碎片从ipq队列中删除，并把该删除的IP碎片的引用计数减1（通过使用函数atomic_dec实现）。二、信号量（semaphore） Linux内核的信号量在概念和原理上与用户态的System V的IPC机制信号量是一样的，但是它绝不可能在内核之外使用，因此它与System V的IPC机制信号量毫不相干。 信号量在创建时需要设置一个初始值，表示同时可以有几个任务可以访问该信号量保护的共享资源，初始值为1就变成互斥锁（

7、Mutex），即同时只能有一个任务可以访问信号量保护的共享资源。 一个任务要想访问共享资源，首先必须得到信号量，获取信号量的操作将把信号量的值减1，若当前信号量的值为负数，表明无法获得信号量，该任务必须挂起在该信号量的等待队列等待该信号量可用；若当前信号量的值为非负数，表示可以获得信号量，因而可以立刻访问被该信号量保护的共享资源。 当任务访问完被信号量保护的共享资源后，必须释放信号量，释放信号量通过把信号量的值加1实现，如果信号量的值为非正数，表明有任务等待当前信号量，因此它也唤醒所有等待该信号量的任务。Semaphore 操作API: 声明初始化信号量 DECLARE_MUTEX(name)

8、 该宏声明一个信号量name并初始化它的值为1，即声明一个互斥信号量。 DECLARE_MUTEX_LOCKED(name) 该宏声明一个互斥信号量name，但把它的初始值设置为0，即锁在创建时就处在已锁状态。因此对于这种锁，一般是先释放后获得。 void sema_init (struct semaphore *sem, int val); 该函用于数初始化设置信号量的初值，它设置信号量sem的值为val。 void init_MUTEX (struct semaphore *sem);#define init_MUTEX(sem)sema_init(sem, 1) 该函数用于初始化一个互斥

9、信号量，即它把信号量sem的值设置为1。 void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem);#define init_MUTEX_LOCKED(sem)sema_init(sem, 0)该函数也用于初始化一个互斥锁，但它把信号量sem的值设置为0，即一开始就处在已锁状态 获取一个信号量void down(struct semaphore * sem); 该函数用于获得信号量sem，它会导致睡眠，因此不能在中断上下文（包括IRQ上下文和softirq上下文）使用该函数。该函数将把sem的值减1，如果信号量sem的值非负，就直接返回，否则调用者将被挂起，

10、直到别的任务释放该信号量才能继续运行。 int down_interruptible(struct semaphore * sem); 该函数功能与down类似，不同之处为，down不会被信号（signal）打断，但down_interruptible能被信号打断，因此该函数有返回值来区分是正常返回还是被信号中断，如果返回0，表示获得信号量正常返回，如果被信号打断，返回-EINTR。 int down_trylock(struct semaphore * sem); 该函数试着获得信号量sem，如果能够立刻获得，它就获得该信号量并返回0，否则，表示不能获得信号量sem，返回值为非0值。因此，它

11、不会导致调用者睡眠，可以在中断上下文使用。 释放一个信号量void up(struct semaphore * sem); 该函数释放信号量sem，即把sem的值加1，如果sem的值为非正数，表明有任务等待该信号量，因此唤醒这些等待者。Basic usage of the semaphore interface is as follows:#include /* Architecture dependent header */* Statically declare a semaphore. To dynamically create a semaphore, use init_MUTEX()

12、 */static DECLARE_MUTEX(mysem);down(&mysem); /* Acquire the semaphore */* . Critical Section code . */up(&mysem); /* Release the semaphore */三、互斥锁互斥锁主要用于实现内核中的互斥访问功能。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。对它的访问必须遵循一些规则：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。一个互斥锁对象必须通过其API初始化，而不能使用memset或复制初始化

13、。一个任务在持有互斥锁的时候是不能结束的。互斥锁所使用的内存区域是不能被释放的。使用中的互斥锁是不能被重新初始化的。并且互斥锁不能用于中断上下文。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。Mutex 操作API: 定义并初始化：struct mutex mutex;mutex_init(&mutex); 获取互斥锁：void mutex_lock(structmutex*lock);int mutex_trylock(struct mutex *lock); 释放互斥锁：void mutex_unlock(struct mutex

14、*lock); 清除互斥锁void mutex_destroy(struct mutex *lock)-清除互斥锁，使互斥锁不可用用mutex_destroy()函数解除由lock指向的互斥锁的任何状态。在调用执行这个函数的时候，lock指向的互斥锁不能在被锁状态。储存互斥锁的内存不被释放。返回值-mutex_destroy()在成功执行后返回零。其他值意味着错误。在以下情况发生时，函数失败并返回相关值。EINVAL 非法参数EFAULT mp指向一个非法地址。 测试互斥锁的状态static inline int mutex_is_locked(struct mutex *lock)-测试互斥

15、锁的状态这个调用实际上编译成一个内联函数。如果互斥锁被持有（锁定），那么就会返回 1；否则，返回 0。Basic mutex usage is as follows:#include /* Statically declare a mutex. To dynamically create a mutex, use mutex_init() */static DEFINE_MUTEX(mymutex);/* Acquire the mutex. This is inexpensive if there * is no one inside the critical section. In the

16、 face of * contention, mutex_lock() puts the calling thread to sleep. */mutex_lock(&mymutex);/* . Critical Section code . */mutex_unlock(&mymutex); /* Release the mutex */四、自旋锁在概念上，自旋锁非常简单。一个自旋锁是一个互斥设备，它只能有两个值：“锁定”和“解锁”。它通常实现为某个整数值中的单个位。期望获得某特定锁的代码测试相关的位。如果锁可用，则“锁定”位被设置，而代码继续进入临界区；相反，如果锁被其他人获得，则代码进入

17、忙循环并重复检查这个锁，直到该锁可用为止。这个循环就是自旋锁的“自旋”部分。适用于自旋锁的核心规则是：任何拥有自旋锁的代码都必须是原子的。它不能休眠，事实上，它不能因为任何原因放弃处理器，除了服务中断外（某些情况下此时也不能放弃处理器）。（休眠可发生在许多无法预期的地方；当我们编写需要在自旋锁下执行代码时，必须注意每一个所调用的函数。）； 自旋锁必须在可能的最短时间内拥有。自旋锁与互斥锁有点类似，只是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁。由于自旋锁使用者一般保持锁时间非常短，自旋锁的效率远高于互斥锁。（不需要切换）

18、自旋锁可以在任何上下文使用，而信号量（和互斥锁）适合保持时间较长的情况，它们会导致调用者睡眠，因此信号量（和互斥锁）只能在进程上下文使用（_trylock的变种能够在中断上下文使用）。（中断代码中不允许睡眠）自旋锁保持期间是抢占失效的，而信号量保持期间是可以被抢占的。自旋锁只有在内核可抢占或SMP的情况下才真正需要，在单CPU且不可抢占的内核下，自旋锁的所有操作都是空操作。缺点：一个被争用的自旋锁使得请求它的线程在等待锁重新可用时自旋(特别浪费处理器时间)。所以，自旋锁不应该被长时间持有。当然，可以采用另外的方式处理对锁的争用：让请求线程睡眠，直到锁重新可用时在唤醒它。但是，这里有两次明显的上

19、下文切换，被阻塞的线程要换入或换出。因此，持有自旋锁的时间最好小于完成两次上下文切换的耗时。Spin lock 操作API： 初始化spinlock_t my_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;或者在运行时，调用下面的函数：void spin_lock_init(spinlock_t *lock); 获得自旋锁void spin_lock(spinlock_t *lock);void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags);void spin_lock_irq(spinlock_t *lock);voi

20、d spin_lock_bh(spinlock_t *lock)spin_loc_irqsave 禁止中断(只在本地处理器)在获得自旋锁之前; 之前的中断状态保存在 flags 里. 如果你绝对确定在你的处理器上没有禁止中断的(或者, 换句话说, 你确信你应当在你释放你的自旋锁时打开中断), 你可以使用 spin_lock_irq 代替, 并且不必保持跟踪 flags. 最后, spin_lock_bh 在获取锁之前禁止软件中断, 但是硬件中断留作打开的.如果你有一个可能被在(硬件或软件)中断上下文运行的代码获得的自旋锁, 你必须使用一种 spin_lock 形式来禁止中断. 其他做法可能死锁系统, 迟早. 如果你不在硬件中断处理里存取你的锁, 但是你通过软件中断(例如, 在一个 tasklet 运行的代码, 后面会讲到), 你可以使用 spin_lock_bh 来安全地避免死锁, 而仍然允许硬件中断被服务. 释放自旋锁void spin_unlock(spinlock_t *lock);void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags);void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock);void