linux內(nèi)核鎖機(jī)制

　　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(jì)數(shù)，很多引用計(jì)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(jì)數(shù)，在TCP/IP協(xié)議棧的IP碎片處理中，就使用了引用計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)數(shù)減1并判斷引用計(jì)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(jì)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(jì)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。