在現(xiàn)代操作系統(tǒng)里，同一時間可能有多個內(nèi)核執(zhí)行流在執(zhí)行，因此內(nèi)核其實(shí)象多進(jìn)程多線程編程一樣也需要一些同步機(jī)制來同步各執(zhí)行單元對共享數(shù)據(jù)的訪問。尤其是在多處理器系統(tǒng)上，更需要一些同步機(jī)制來同步不同處理器上的執(zhí)行單元對共享的數(shù)據(jù)的訪問。

　　在主流的Linux內(nèi)核中包含了幾乎所有現(xiàn)代的操作系統(tǒng)具有的同步機(jī)制，這些同步機(jī)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(nèi)核中）、RCU（只包含在2.6內(nèi)核中）和seqlock（只包含在2.6內(nèi)核中）。

　　比較經(jīng)典的有原子操作、spin_lock（忙等待的鎖）、mutex（互斥鎖）、semaphore（信號量）等。并且它們幾乎都有對應(yīng)的rw_XXX（讀寫鎖），以便在能夠區(qū)分讀與寫的情況下，讓讀操作相互不互斥（讀寫、寫寫依然互斥）。而seqlock和rcu應(yīng)該可以不算在經(jīng)典之列，它們是兩種比較有意思的同步機(jī)制。

　　原子操作

　　原子操作就是指某一個操作在執(zhí)行過程中不可以被打斷，要么全部執(zhí)行，要不就一點(diǎn)也不執(zhí)行。原子操作需要硬件的支持，與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)，使用匯編語言實(shí)現(xiàn)。原子操作主要用于實(shí)現(xiàn)資源計數(shù)，很多引用計數(shù)就是通過原子操作實(shí)現(xiàn)。Linux中提供了兩種原子操作接口，分別是原子整數(shù)操作和原子位操作。

　　原子整數(shù)操作只對atomic_t類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，不能對C語言的int進(jìn)行操作，使用atomic_t只能將其作為24位數(shù)據(jù)處理，主要是在SPARC體系結(jié)構(gòu)中int的低8為中設(shè)置了一個鎖，避免對原子類型數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問。

　　原子位操作是針對由指針變量指定的任意一塊內(nèi)存區(qū)域的位序列的某一位進(jìn)行操作。它只是針對普通指針的操作，不需要定義一個與該操作相對應(yīng)的數(shù)據(jù)類型。

　　原子類型定義如下：

　　typedefstruct { volatile int counter; }atomic_t;

　　volatile修飾字段告訴gcc不要對該類型的數(shù)據(jù)做優(yōu)化處理，對它的訪問都是對內(nèi)存的訪問，而不是對寄存器的訪問。

　　原子操作API包括：

　　atomic_read（atomic_t* v）;

　　該函數(shù)對原子類型的變量進(jìn)行原子讀操作，它返回原子類型的變量v的值。

　　atomic_set（atomic_t* v， int i）;

　　該函數(shù)設(shè)置原子類型的變量v的值為i。

　　voidatomic_add（int i， atomic_t *v）;

　　該函數(shù)給原子類型的變量v增加值i。

　　atomic_sub（inti， atomic_t *v）;

　　該函數(shù)從原子類型的變量v中減去i。

　　intatomic_sub_and_test（int i， atomic_t *v）;

　　該函數(shù)從原子類型的變量v中減去i，并判斷結(jié)果是否為0，如果為0，返回真，否則返回假。

　　voidatomic_inc（atomic_t *v）;

　　該函數(shù)對原子類型變量v原子地增加1。

　　voidatomic_dec（atomic_t *v）;

　　該函數(shù)對原子類型的變量v原子地減1。

　　intatomic_dec_and_test（atomic_t *v）;

　　該函數(shù)對原子類型的變量v原子地減1，并判斷結(jié)果是否為0，如果為0，返回真，否則返回假。

　　intatomic_inc_and_test（atomic_t *v）;

　　該函數(shù)對原子類型的變量v原子地增加1，并判斷結(jié)果是否為0，如果為0，返回真，否則返回假。

　　intatomic_add_negative（int i， atomic_t*v）;

　　該函數(shù)對原子類型的變量v原子地增加I，并判斷結(jié)果是否為負(fù)數(shù)，如果是，返回真，否則返回假。

　　intatomic_add_return（int i， atomic_t *v）;

　　該函數(shù)對原子類型的變量v原子地增加i，并且返回指向v的指針。

　　intatomic_sub_return（int i， atomic_t *v）;

　　該函數(shù)從原子類型的變量v中減去i，并且返回指向v的指針。

　　intatomic_inc_return（atomic_t * v）;

　　該函數(shù)對原子類型的變量v原子地增加1并且返回指向v的指針。

　　intatomic_dec_return（atomic_t * v）;

　　該函數(shù)對原子類型的變量v原子地減1并且返回指向v的指針。

　　原子操作通常用于實(shí)現(xiàn)資源的引用計數(shù)，在TCP/IP協(xié)議棧的IP碎片處理中，就使用了引用計數(shù)，碎片隊(duì)列結(jié)構(gòu)structipq描述了一個IP碎片，字段refcnt就是引用計數(shù)器，它的類型為atomic_t，當(dāng)創(chuàng)建IP碎片時（在函數(shù)ip_frag_create中），使用atomic_set函數(shù)把它設(shè)置為1，當(dāng)引用該IP碎片時，就使用函數(shù)atomic_inc把引用計數(shù)加1，當(dāng)不需要引用該IP碎片時，就使用函數(shù)ipq_put來釋放該IP碎片，ipq_put使用函數(shù)atomic_dec_and_test把引用計數(shù)減1并判斷引用計數(shù)是否為0，如果是就釋放Ip碎片。函數(shù)ipq_kill把IP碎片從ipq隊(duì)列中刪除，并把該刪除的IP碎片的引用計數(shù)減1（通過使用函數(shù)atomic_dec實(shí)現(xiàn)）。

　　自旋鎖

　　Linux自旋鎖保證了任意時刻只能有一個執(zhí)行線程進(jìn)入臨界區(qū)，其他試圖進(jìn)入臨界區(qū)的線程將一直進(jìn)行嘗試（即自旋），直到獲得該鎖。自旋鎖主要應(yīng)用在加鎖時間不長并且不會睡眠的情況。

　　自旋鎖的本質(zhì)是對內(nèi)存區(qū)域的一個整數(shù)的操作，任何線程進(jìn)入臨界區(qū)之前都必須檢查該整數(shù)，可用則進(jìn)入，都則一直忙循環(huán)等待。

　　自旋鎖機(jī)制讓試圖獲得該鎖的線程一直進(jìn)行忙循環(huán)（占用CPU），因此自旋鎖適合于斷時間內(nèi)進(jìn)行輕量級加鎖。而且自旋鎖絕對不可以遞歸使用，否則會被自己鎖死。

　　Linux自旋鎖主要應(yīng)用與多核處理器中，單CPU中不會進(jìn)行自旋鎖操作。

　　linux上的自旋鎖有三種實(shí)現(xiàn)：

　　a. 在單cpu，不可搶占內(nèi)核中，自旋鎖為空操作。

　　b. 在單cpu，可搶占內(nèi)核中，自旋鎖實(shí)現(xiàn)為“禁止內(nèi)核搶占”，并不實(shí)現(xiàn)“自旋”。

　　c. 在多cpu，可搶占內(nèi)核中，自旋鎖實(shí)現(xiàn)為“禁止內(nèi)核搶占” + “自旋”。其中，禁止內(nèi)核搶占只是關(guān)閉“可搶占標(biāo)志”，而不是禁止進(jìn)程切換。顯式使用schedule或進(jìn)程阻塞（此也會導(dǎo)致調(diào)用schedule）時，還是會發(fā)生進(jìn)程調(diào)度的。

　　使用自旋鎖需要注意有可能造成的死鎖情況：

　　static DEFINE_SPINLOCK（xxx_lock）;

　　unsigned long flags;

　　spin_lock_irqsave（&xxx_lock， flags）;

　　。。。 critical section here 。。

　　spin_unlock_irqrestore（&xxx_lock， flags）;

　　代碼中spin_lock_irqsave會禁止本地cpu中斷的搶占。以上代碼在任何情況下都是安全的。但問題是關(guān)中斷的代價太大。

　　如果把spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore換成spin_lock/spin_unlock會有什么問題嗎？

　　答案是，如果中斷中調(diào)用了spin_lock，可能會引起死鎖！

　　例如：

　　spin_lock（&lock）;

　　。。。

　　《- interrupt comes in：

　　spin_lock（&lock）;

　　值得注意的是，如果產(chǎn)生中斷的cpu和進(jìn)程中調(diào)用spin_lock的cpu不是同一個，則不會有問題。這也是irq版本的spin_lock函數(shù)實(shí)現(xiàn)時只需要禁止本地cpu中斷的原因。

　　結(jié)論：要想在進(jìn)程中用spin_lock代替spin_lock_irqsave，條件是中斷中不會使用相應(yīng)的spin_lock

　　何時使用自旋鎖？

　　不允許睡眠的上下文且臨界區(qū)操作較短時使用自旋鎖。
?

? ? 讀/寫自旋鎖

　　Linux中規(guī)定，讀/寫自旋鎖允許多個線程同時以只讀的方式訪問臨界資源，只有當(dāng)一個線程想更新數(shù)據(jù)時，才會互斥訪問資源。

　　讀寫自旋鎖包括一個24位讀者計數(shù)和一個解鎖標(biāo)記來實(shí)現(xiàn)的。

　　注意：讀寫鎖需要比spinlocks更多的訪問原子內(nèi)存操作，如果讀臨界區(qū)不是很大，最好別使用讀寫鎖。

　　讀寫鎖代碼：

　　點(diǎn)擊（此處）折疊或打開rwlock_t xxx_lock = __RW_LOCK_UNLOCKED（xxx_lock）;

　　unsigned long flags;

　　read_lock_irqsave（&xxx_lock， flags）;

　　。。 critical section that only reads the info 。。。

　　read_unlock_irqrestore（&xxx_lock， flags）;

　　write_lock_irqsave（&xxx_lock， flags）;

　　。。 read and write exclusive access to the info 。。。

　　write_unlock_irqrestore（&xxx_lock， flags）;

　　讀寫鎖比較適合鏈表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，特別是查找遠(yuǎn)多于修改的情況。

　　另外，可以靈活的使用read-write和irq版本的自旋鎖。例如，如果中斷中只是用了讀鎖，進(jìn)程中就可以使用non-irq版本的讀鎖和irq版本的寫鎖。

　　注意：RCU比讀寫鎖更適合遍歷list，但需要更關(guān)注細(xì)節(jié)。目前kernel社區(qū)正在努力用RCU代替讀寫鎖。

　　BKL（Big Kernel Lock）

　　BKL即全局內(nèi)核鎖，也稱大內(nèi)核鎖，它是一個全局自旋鎖。大內(nèi)核鎖也是用來保護(hù)臨界區(qū)資源的，避免出現(xiàn)多個處理器上的進(jìn)程同時訪問同一區(qū)域，整個內(nèi)核中只有一個大內(nèi)核鎖。

　　BKL是一個名為kernel_flag的自旋鎖，持有該鎖的進(jìn)程仍可以睡眠，當(dāng)睡眠時持有的鎖將被自動釋放，該進(jìn)程被喚醒時重新持有該鎖。Linux允許一個進(jìn)程可以遞歸的持有BKL，BKL是一個遞歸鎖。

　　它的設(shè)計思想是，一旦某個內(nèi)核路徑獲取了這把鎖，那么其他所有的內(nèi)核路徑都不能再獲取到這把鎖。自旋鎖加鎖的對象一般是一個全局變量，大內(nèi)核鎖加鎖的對象是一段代碼，里面可能包含多個全局變量。那么他帶來的問題是，雖然A只需要互斥訪問全局變量a，但附帶鎖了全局變量b，從而導(dǎo)致B不能訪問b了

　　mutex（互斥鎖）

　　/linux/include/linux/mutex.h

　　47struct mutex {

　　48

　　49 atomic_t count;

　　50 spinlock_t wait_lock;

　　51 struct list_head wait_list;

　　52#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES

　　53 struct thread_info *owner;

　　54 const char *name;

　　55 void *magic;

　　56#endif

　　57#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC

　　58 struct lockdep_map dep_map;

　　59#endif

　　60};

　　一、作用及訪問規(guī)則：

　　互斥鎖主要用于實(shí)現(xiàn)內(nèi)核中的互斥訪問功能。內(nèi)核互斥鎖是在原子API之上實(shí)現(xiàn)的，但這對于內(nèi)核用戶是不可見的。對它的訪問必須遵循一些規(guī)則：同一時間只能有一個任務(wù)持有互斥鎖，而且只有這個任務(wù)可以對互斥鎖進(jìn)行解鎖。互斥鎖不能進(jìn)行遞歸鎖定或解鎖。一個互斥鎖對象必須通過其API初始化，而不能使用memset或復(fù)制初始化。一個任務(wù)在持有互斥鎖的時候是不能結(jié)束的。互斥鎖所使用的內(nèi)存區(qū)域是不能被釋放的。使用中的互斥鎖是不能被重新初始化的。并且互斥鎖不能用于中斷上下文。但是互斥鎖比當(dāng)前的內(nèi)核信號量選項(xiàng)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。

　　二、各字段詳解：

　　1、atomic_t count; --指示互斥鎖的狀態(tài)：1沒有上鎖，可以獲得；0被鎖定，不能獲得；負(fù)數(shù)被鎖定，且可能在該鎖上有等待進(jìn)程初始化為沒有上鎖。

　　2、spinlock_t wait_lock;--等待獲取互斥鎖中使用的自旋鎖。在獲取互斥鎖的過程中，操作會在自旋鎖的保護(hù)中進(jìn)行。初始化為為鎖定。

　　3、struct list_head wait_list;--等待互斥鎖的進(jìn)程隊(duì)列。

　　四、操作：

　　1、定義并初始化：

　　struct mutex mutex;

　　mutex_init（&mutex）;

　　79# define mutex_init（mutex） \

　　80do { \

　　81 static struct lock_class_key __key; \

　　82 \

　　83 __mutex_init（（mutex）， #mutex， &__key）; \

　　84} while （0）

　　42void

　　43__mutex_init（struct mutex *lock， const char *name， structlock_class_key *key）

　　44{

　　45 atomic_set（&lock-》count， 1）;

　　46 spin_lock_init（&lock-》wait_lock）;

　　47 INIT_LIST_HEAD（&lock-》wait_list）;

　　48

　　49 debug_mutex_init（lock， name， key）;

　　50}

　　直接定于互斥鎖mutex并初始化為未鎖定，己count為1，wait_lock為未上鎖，等待隊(duì)列wait_list為空。

　　2、獲取互斥鎖：

　　（1）具體參見linux/kernel/mutex.c

　　void inline __sched mutex_lock（struct mutex *lock）

　　{

　　might_sleep（）;

　　__mutex_fastpath_lock（&lock-》count，__mutex_lock_slowpath）;

　　}

　　獲取互斥鎖。實(shí)際上是先給count做自減操作，然后使用本身的自旋鎖進(jìn)入臨界區(qū)操作。首先取得count的值，再將count置為－1，判斷如果原來count的值為1，也即互斥鎖可以獲得，則直接獲取，跳出。否則進(jìn)入循環(huán)反復(fù)測試互斥鎖的狀態(tài)。在循環(huán)中，也是先取得互斥鎖原來的狀態(tài)，再將其置為－1，判斷如果可以獲取（等于1），則退出循環(huán)，否則設(shè)置當(dāng)前進(jìn)程的狀態(tài)為不可中斷狀態(tài)，解鎖自身的自旋鎖，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，待被在調(diào)度喚醒時，再獲得自身的自旋鎖，進(jìn)入新一次的查詢其自身狀態(tài)（該互斥鎖的狀態(tài)）的循環(huán)。

　　（2）具體參見linux/kernel/mutex.c

　　int __sched mutex_lock_interruptible（struct mutex *lock）

　　{

　　might_sleep（）;

　　return __mutex_fastpath_lock_retval（&lock-》count，__mutex_lock_interruptible_slowpath）;

　　}

　　和mutex_lock（）一樣，也是獲取互斥鎖。在獲得了互斥鎖或進(jìn)入睡眠直到獲得互斥鎖之后會返回0。如果在等待獲取鎖的時候進(jìn)入睡眠狀態(tài)收到一個信號（被信號打斷睡眠），則返回_EINIR。

　　（3）具體參見linux/kernel/mutex.c

　　int __sched mutex_trylock（struct mutex *lock）

　　{

　　return __mutex_fastpath_trylock（&lock-》count，

　　__mutex_trylock_slowpath）;

　　}

　　試圖獲取互斥鎖，如果成功獲取則返回1，否則返回0，不等待。

　　3、釋放互斥鎖：

　　具體參見linux/kernel/mutex.c

　　void __sched mutex_unlock（struct mutex *lock）

　　{

　　__mutex_fastpath_unlock（&lock-》count，__mutex_unlock_slowpath）;

　　}

　　釋放被當(dāng)前進(jìn)程獲取的互斥鎖。該函數(shù)不能用在中斷上下文中，而且不允許去釋放一個沒有上鎖的互斥鎖。

　　4.void mutex_destroy（struct mutex *lock） --清除互斥鎖，使互斥鎖不可用

　　用mutex_destroy（）函數(shù)解除由lock指向的互斥鎖的任何狀態(tài)。在調(diào)用執(zhí)行這個函數(shù)的時候，lock指向的互斥鎖不能在被鎖狀態(tài)。儲存互斥鎖的內(nèi)存不被釋放。

　　返回值--mutex_destroy（）在成功執(zhí)行后返回零。其他值意味著錯誤。在以下情況發(fā)生時，函數(shù)失敗并返回相關(guān)值。

　　EINVAL 非法參數(shù)

　　EFAULT mp指向一個非法地址。

　　5.static inline int mutex_is_locked（struct mutex *lock）--測試互斥鎖的狀態(tài)

　　這個調(diào)用實(shí)際上編譯成一個內(nèi)聯(lián)函數(shù)。如果互斥鎖被持有（鎖定），那么就會返回1；否則，返回0。

　　五、使用形式：

　　struct mutex mutex;

　　mutex_init（&mutex）;

　　。。。

　　mutex_lock（&mutex）;

　　。。。

　　mutex_unlock（&mutex）;

　　順序鎖

　　順序鎖為寫者賦予更高的優(yōu)先級，寫者永遠(yuǎn)不會等待讀者。缺點(diǎn)是讀者有時不得不讀多次數(shù)據(jù)以獲取正確的結(jié)果。

　　順序鎖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中除了有spinlock外，還有一個順序號。如果成功獲得鎖，順序鎖的順序號會加1，以便讀者能夠檢查出是否在讀期間有寫者訪問過。讀者在讀取數(shù)據(jù)前后兩次讀順序值，如果兩次值不相同，則說明讀取期間有新的寫者操作過數(shù)據(jù)了，那么本次讀取就是無效的。

　　典型使用：

　　讀端：

　　do {

　　seqnum = read_seqbegin（&seqlock_a）;

　　//讀操作代碼塊

　　。。.

　　} while （read_seqretry（&seqlock_a， seqnum））;

　　寫端：

　　spin_lock（&lock）;

　　write_seqlock（&seqlock_a）

　　。。.

　　write_sequnlock（&seqlock_a）

　　spin_unlock（&lock）;

　　寫者通過調(diào)用write_seqlock（）和write_sequnlock（）獲取和釋放順序鎖。write_seqlock（）函數(shù)獲取seqlock_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的自旋鎖，然后使順序計數(shù)器sequence加1；write_sequnlock（）函數(shù)再次增加順序計數(shù)器sequence，然后釋放自旋鎖。這樣可以保證寫者在整個寫的過程中，計數(shù)器sequence的值是奇數(shù)，并且當(dāng)沒有寫者在改變數(shù)據(jù)的時候，計數(shù)器的值是偶數(shù)。

　　read_seqbegin（）返回順序鎖的當(dāng)前順序號；如果局部變量seq的值是奇數(shù)（寫者在read_seqbegin（）函數(shù)被調(diào)用后，正更新數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)），或seq的值與順序鎖的順序計數(shù)器的當(dāng)前值不匹配（當(dāng)讀者正執(zhí)行臨界區(qū)代碼時，寫者開始工作），read_seqretry（）就返回1，說明本次讀取失敗，需要重新讀取 。

　　并不是每一種資源都可以使用順序鎖來保護(hù)。一般來說，必須在滿足下述條件時才能使用順序鎖：

　　1. 讀者的臨界區(qū)資源不包括被寫者修改和被讀者取值的指針，否則，寫者有可能使指針失效，讀者讀取時會產(chǎn)生OPPs。

　　2. 讀者的臨界區(qū)代碼沒有副作用。

　　何時使用順序鎖？

　　讀操作遠(yuǎn)多于寫操作、且寫操作很緊急時使用順序鎖。