本文討論了 Linux 內核中可用的大量同步或鎖定機制。這些機制為 2.6.23 版內核的許多可用方法提供了應用程序接口（API）。但是在深入學習 API 之前，首先需要明白將要解決的問題。

并發和鎖定

當存在并發特性時，必須使用同步方法。當在同一時間段出現兩個或更多進程并且這些進程彼此交互（例如，共享相同的資源）時，就存在并發?現象。

在單處理器（uniprocessor，UP）主機上可能發生并發，在這種主機中多個線程共享同一個 CPU 并且搶占（preemption）創建競態條件。搶占?通過臨時中斷一個線程以執行另一個線程的方式來實現 CPU 共享。競態條件發生在兩個或更多線程***一個共享數據項時，其結果取決于執行的時間。在多處理器（MP）計算機中也存在并發，其中每個處理器***享相同數據的線程同時執行。注意在 MP 情況下存在真正的并行（parallelism），因為線程是同時執行的。而在 UP 情形中，并行是通過搶占創建的。兩種模式中實現并發都較為困難。

Linux 內核在兩種模式中都支持并發。內核本身是動態的，而且有許多創建競態條件的方法。Linux 內核也支持多處理（multiprocessing），稱為對稱多處理（SMP）。

臨界段概念是為解決競態條件問題而產生的。一個臨界段?是一段不允許多路訪問的受保護的代碼。這段代碼可以***共享數據或共享服務（例如硬件外圍設備）。臨界段操作時堅持互斥鎖（mutual exclusion）原則（當一個線程處于臨界段中時，其他所有線程都不能進入臨界段）。

臨界段中需要解決的一個問題是死鎖條件。考慮兩個獨立的臨界段，各自保護不同的資源。每個資源擁有一個鎖，在本例中稱為 A 和 B。假設有兩個線程需要訪問這些資源，線程 X 獲取了鎖 A，線程 Y 獲取了鎖 B。當這些鎖都被持有時，每個線程都試圖占有其他線程當前持有的鎖（線程 X 想要鎖 B，線程 Y 想要鎖 A）。這時候線程就被死鎖了，因為它們都持有一個鎖而且還想要其他鎖。一個簡單的解決方案就是總是按相同次序獲取鎖，從而使其中一個線程得以完成。還需要其他解決方案檢測這種情形。表 1 定義了此處用到的一些重要的并發術語。

表 1. 并發中的重要定義

術語定義競態條件兩個或更多線程同時操作資源時將會導致不一致的結果。臨界段用于協調對共享資源的訪問的代碼段。互斥鎖確保對共享資源進行排他訪問的軟件特性。死鎖由兩個或更多進程和資源鎖導致的一種特殊情形，將會降低進程的工作效率。

Linux 同步方法

如果您了解了一些基本理論并且明白了需要解決的問題，接下來將學習 Linux 支持并發和互斥鎖的各種方法。在以前，互斥鎖是通過禁用中斷來提供的，但是這種形式的鎖定效率比較低（現在在內核中仍然存在這種用法）。這種方法也不能進行擴展，而且不能保證其他處理器上的互斥鎖。

在以下關于鎖定機制的討論中，我們首先看一下原子運算符，它可以保護簡單變量（計數器和位掩碼（bitmask））。然后介紹簡單的自旋鎖和讀/寫鎖，它們構成了一個 SMP 架構的忙等待鎖（busy-wait lock）覆蓋。最后，我們討論構建在原子 API 上的內核互斥鎖。?

原子操作

Linux 中最簡單的同步方法就是原子操作。原子?意味著臨界段被包含在 API 函數中。不需要額外的鎖定，因為 API 函數已經包含了鎖定。由于 C 不能實現原子操作，因此 Linux 依靠底層架構來提供這項功能。各種底層架構存在很大差異，因此原子函數的實現方法也各不相同。一些方法完全通過匯編語言來實現，而另一些方法依靠 c 語言并且使用?local_irq_save?和?local_irq_restore?禁用中斷。

舊的鎖定方法?
在內核中實現鎖定的一種不太好的方法是通過禁用本地 CPU 的硬中斷。這些函數均可用并且仍得到使用（有時用于原子運算符），但我們并不推薦使用。local_irq_save?例程禁用中斷，而?local_irq_restore?恢復以前啟用過的中斷。這些例程都是可重入的（reentrant），也就是說它們可以在其他例程上下文中被調用。

當需要保護的數據非常簡單時，例如一個計數器，原子運算符是種理想的方法。盡管原理簡單，原子 API 提供了許多針對不同情形的運算符。下面是一個使用此 API 的示例。

要聲明一個原子變量（atomic variable），首先聲明一個?atomic_t?類型的變量。這個結構包含了單個?int?元素。接下來，需確保您的原子變量使用?ATOMIC_INIT?符號常量進行了初始化。 在清單 1 的情形中，原子計數器被設置為 0。也可以使用?atomic_set function?在運行時對原子變量進行初始化。

清單 1. 創建和初始化原子變量

atomic_t my_counter ATOMIC_INIT(0);... or ...atomic_set( &my_counter, 0 );

原子 API 支持一個涵蓋許多用例的富函數集。可以使用?atomic_read?讀取原子變量中的內容，也可以使用?atomic_add?為一個變量添加指定值。最常用的操作是使用?atomic_inc?使變量遞增。也可用減號運算符，它的作用與相加和遞增操作相反。清單 2. 演示了這些函數。

清單 2. 簡單的算術原子函數

val = atomic_read( &my_counter );atomic_add( 1, &my_counter );atomic_inc( &my_counter );atomic_sub( 1, &my_counter );atomic_dec( &my_counter );

該 API 也支持許多其他常用用例，包括 operate-and-test 例程。這些例程允許對原子變量進行***和測試（作為一個原子操作來執行）。一個叫做?atomic_add_negative?的特殊函數被添加到原子變量中，然后當結果值為負數時返回真（true）。這被內核中一些依賴于架構的信號量函數使用。

許多函數都不返回變量的值，但兩個函數除外。它們會返回結果值（?atomic_add_return?和?atomic_sub_return），如清單 3所示。

清單 3. Operate-and-test 原子函數

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_counter )) { // 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 ));

如果您的架構支持 64 位長類型（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 中查看可用的長操作（long operation）。

原子 API 還支持位掩碼（bitmask）操作。跟前面提到的算術操作不一樣，它只包含設置和清除操作。許多驅動程序使用這些原子操作，特別是 SCSI。位掩碼原子操作的使用跟算術操作存在細微的差別，因為其中只有兩個可用的操作（設置掩碼和清除掩碼）。使用這些操作前，需要提供一個值和將要進行操作的位掩碼，如清單 4 所示。

清單 4. 位掩碼原子函數

unsigned long my_bitmask;atomic_clear_mask( 0, &my_bitmask );atomic_set_mask( (1<<24), &my_bitmask );

原子 API 原型?
原子操作依賴于架構，可以在 ./linux/include/asm-/atomic.h 中找到。

自旋鎖

自旋鎖是使用忙等待鎖來確保互斥鎖的一種特殊方法。如果鎖可用，則獲取鎖，執行互斥鎖動作，然后釋放鎖。如果鎖不可用，線程將忙等待該鎖，直到其可用為止。忙等待看起來效率低下，但它實際上比將線程休眠然后當鎖可用時將其喚醒要快得多。

自旋鎖只在 SMP 系統中才有用，但是因為您的代碼最終將會在 SMP 系統上運行，將它們添加到 UP 系統是個明智的做法。

自旋鎖有兩種可用的形式：完全鎖（full lock）和讀寫鎖。 首先看一下完全鎖。

首先通過一個簡單的聲明創建一個新的自旋鎖。這可以通過調用?spin_lock_init?進行初始化。清單 5 中顯示的每個變量都會實現相同的結果。

清單 5. 創建和初始化自旋鎖

spinlock_t my_spinlock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;... or ...DEFINE_SPINLOCK( my_spinlock );... or ...spin_lock_init( &my_spinlock );

定義了自旋鎖之后，就可以使用大量的鎖定變量了。每個變量用于不同的上下文。

清單 6 中顯示了?spin_lock?和?spin_unlock?變量。這是一個最簡單的變量，它不會執行中斷禁用，但是包含全部的內存壁壘（memory barrier）。這個變量假定中斷處理程序和該鎖之間沒有交互。

清單 6. 自旋鎖 lock 和 unlock 函數

spin_lock( &my_spinlock );?

// critical section?

spin_unlock( &my_spinlock );

接下來是?irqsave?和?irqrestore?對，如清單 7 所示。spin_lock_irqsave?函數需要自旋鎖，并且在本地處理器（在 SMP 情形中）上禁用中斷。spin_unlock_irqrestore?函數釋放自旋鎖，并且（通過?flags?參數）恢復中斷。

清單 7. 自旋鎖變量，其中禁用了本地 CPU 中斷

spin_lock_irqsave( &my_spinlock, flags );// critical sectionspin_unlock_irqrestore( &my_spinlock, flags );

spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore?的一個不太安全的變體是?spin_lock_irq/spin_unlock_irq。 我建議不要使用此變體，因為它會假設中斷狀態。

最后，如果內核線程通過 bottom half 方式共享數據，那么可以使用自旋鎖的另一個變體。bottom half?方法可以將設備驅動程序中的工作延遲到中斷處理后執行。這種自旋鎖禁用了本地 CPU 上的軟中斷。這可以阻止 softirq、tasklet 和 bottom half 在本地 CPU 上運行。這個變體如清單 8 所示。

清單 8. 自旋鎖函數實現 bottom-half 交互

spin_lock_bh( &my_spinlock );// critical sectionspin_unlock_bh( &my_spinlock );

讀/寫鎖

在許多情形下，對數據的訪問是由大量的讀和少量的寫操作來完成的（讀取數據比寫入數據更常見）。讀/寫鎖的創建就是為了支持這種模型。這個模型有趣的地方在于允許多個線程同時訪問相同數據，但同一時刻只允許一個線程寫入數據。如果執行寫操作的線程持有此鎖，則臨界段不能由其他線程讀取。如果一個執行讀操作的線程持有此鎖，那么多個讀線程都可以進入臨界段。清單 9 演示了這個模型。

清單 9. 讀/寫自旋鎖函數

rwlock_t my_rwlock;rwlock_init( &my_rwlock );write_lock( &my_rwlock );// critical section -- can read and writewrite_unlock( &my_rwlock );read_lock( &my_rwlock );// critical section -- can read onlyread_unlock( &my_rwlock );

根據對鎖的需求，還針對 bottom half 和中斷請求（IRQ）對讀/寫自旋鎖進行了修改。顯然，如果您使用的是原版的讀/寫鎖，那么按照標準自旋鎖的用法使用這個自旋鎖，而不區分讀線程和寫線程。

內核互斥鎖

在內核中可以使用互斥鎖來實現信號量行為。內核互斥鎖是在原子 API 之上實現的，但這對于內核用戶是不可見的。互斥鎖很簡單，但是有一些規則必須牢記。同一時間只能有一個任務持有互斥鎖，而且只有這個任務可以對互斥鎖進行解鎖。互斥鎖不能進行遞歸鎖定或解鎖，并且互斥鎖可能不能用于交互上下文。但是互斥鎖比當前的內核信號量選項更快，并且更加緊湊，因此如果它們滿足您的需求，那么它們將是您明智的選擇。

可以通過?DEFINE_MUTEX?宏使用一個操作創建和初始化互斥鎖。這將創建一個新的互斥鎖并初始化其結構。可以在 ./linux/include/linux/mutex.h 中查看該實現。

DEFINE_MUTEX( my_mutex );

互斥鎖 API 提供了 5 個函數：其中 3 個用于鎖定，一個用于解鎖，另一個用于測試互斥鎖。首先看一下鎖定函數。在需要立即鎖定以及希望在互斥鎖不可用時掌握控制的情形下，可以使用第一個函數?mutex_trylock。該函數如清單 10 所示。

清單 10. 嘗試使用?mutex_trylock?獲得互斥鎖?

ret = mutex_trylock( &my_mutex );if (ret != 0) { // Got the lock!} else { // Did not get the lock}

如果想等待這個鎖，可以調用?mutex_lock。這個調用在互斥鎖可用時返回，否則，在互斥鎖鎖可用之前它將休眠。無論在哪種情形中，當控制被返回時，調用者將持有互斥鎖。最后，當調用者休眠時使用?mutex_lock_interruptible。在這種情況下，該函數可能返回?-EINTR。清單 11 中顯示了這兩種調用。

清單 11. 鎖定一個可能處于休眠狀態的互斥鎖

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}

當一個互斥鎖被鎖定后，它必須被解鎖。這是由?mutex_unlock?函數來完成的。這個函數不能從中斷上下文調用。最后，可以通過調用?mutex_is_locked?檢查互斥鎖的狀態。這個調用實際上編譯成一個內聯函數。如果互斥鎖被持有（鎖定），那么就會返回 1；否則，返回 0。清單 12 演示了這些函數。

清單 12. 用?mutex_is_locked?測試互斥鎖鎖?

mutex_unlock( &my_mutex );if (mutex_is_locked( &my_mutex ) == 0) { // Mutex is unlocked}

互斥鎖 API 存在著自身的局限性，因為它是基于原子 API 的。但是其效率比較高，如果能滿足你的需要，還是可以使用的。

大內核鎖（Big kernel lock）

最后看一下大內核鎖（BLK）。它在內核中的用途越來越小，但是仍然有一些保留下來的用法。BKL 使多處理器 Linux 成為可能，但是細粒度（finer-grained）鎖正在慢慢取代 BKL。BKL 通過?lock_kernel?和?unlock_kernel?函數提供。要獲得更多信息，請查看 ./linux/lib/kernel_lock.c。

結束語

Linux 性能非凡，其鎖定方法也一樣。原子鎖不僅提供了一種鎖定機制，同時也提供了算術或 bitwise 操作。自旋鎖提供了一種鎖定機制（主要應用于 SMP），而且讀/寫自旋鎖允許多個讀線程且僅有一個寫線程獲得給定的鎖。最后，互斥鎖是一種新的鎖定機制，提供了一種構建在原子之上的簡單 API。不管你需要什么，Linux 都會提供一種鎖定方案保護您的數據。

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