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分类： LINUX
2008-08-18 17:07:19
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级别： 初级
杨沙洲 ()国防科技大学计算机学院
2002 年 6 月 01 日
本文将Linux内核中用于同步的几种机制集中起来分析，强调了它们之间在实现和使用上的不同。
同步通常是为了达到多线程协同的目的而设计的一种机制，通常包含异步信号机制和互斥机制作为其实现的底层。在Linux 2.4内核中也有相应的技术实现，包括信号量、自旋锁、原子操作和等待队列，其中原子操作和等待队列又是实现信号量的底层。
wait queue很早就作为一个基本的功能单位出现在Linux内核里了，它以队列为基础数据结构，与进程调度机制紧密结合，能够用于实现核心的异步事件通知机制。我们从它的使用范例着手，看看等待队列是如何实现异步信号功能的。
在核心运行过程中，经常会因为某些条件不满足而需要挂起当前线程，直至条件满足了才继续执行。在2.4内核中提供了一组新接口来实现这样的功能，下面的代码节选自kernel/printk.c：
unsigned long log_size;
1: DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(log_wait);...
4: spinlock_t console_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;...
int do_syslog(int type,char *buf,int len){
...
2: error=wait_event_interruptible(log_wait,log_size);
if(error)
goto out;
...
5: spin_lock_irq(&console_lock);
...
log_size--;
...
6: spin_unlock_irq(&console_lock);
...
}
asmlinkage int printk(const char *fmt,...){
...
7: spin_lock_irqsave(&console_lock,flags);
...
log_size++;...
8: spin_unlock_irqrestore(&console_lock,flags);
3: wake_up_interruptible(&log_wait);
...
}
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这段代码实现了printk调用和syslog之间的同步，syslog需要等待printk送数据到缓冲区，因此，在2:处等待log_size非0；而printk一边传送数据，一边增加log_size的值，完成后唤醒在log_wait上等待的所有线程（这个线程不是用户空间的线程概念，而是核内的一个执行序列）。执行了3:的wake_up_interruptible()后，2:处的wait_event_interruptible()返回0，从而进入syslog的实际动作。
1:是定义log_wait全局变量的宏调用。
在实际操作log_size全局变量的时候，还使用了spin_lock自旋锁来实现互斥，关于自旋锁，这里暂不作解释，但从这段代码中已经可以清楚的知道它的使用方法了。
所有wait queue使用上的技巧体现在wait_event_interruptible()的实现上，代码位于include/linux/sched.h中，前置数字表示行号：
779 #define __wait_event_interruptible(wq, condition, ret) \
780 do { \
781 wait_queue_t __wait; \
782 init_waitqueue_entry(&__wait, current); \
783 \
784 add_wait_queue(&wq, &__wait); \
785 for (;;) { \
786 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); \
787 if (condition) \
788 break; \
789 if (!signal_pending(current)) { \
790 schedule(); \
791 continue; \
792 } \
793 ret = -ERESTARTSYS; \
794 break; \
795 } \
796 current->state = TASK_RUNNING; \
797 remove_wait_queue(&wq, &__wait); \
798 } while (0)
799
800 #define wait_event_interruptible(wq, condition) \
801 ({ \
802 int __ret = 0; \
803 if (!(condition)) \
804 __wait_event_interruptible(wq, condition, __ret); \
805 __ret; \
806 })
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在wait_event_interruptible()中首先判断condition是不是已经满足，如果是则直接返回0，否则调用__wait_event_interruptible()，并用__ret来存放返回值。__wait_event_interruptible()首先定义并初始化一个wait_queue_t变量__wait，其中数据为当前进程结构current（struct task_struct），并把__wait入队。在无限循环中，__wait_event_interruptible()将本进程置为可中断的挂起状态，反复检查condition是否成立，如果成立则退出，如果不成立则继续休眠；条件满足后，即把本进程运行状态置为运行态，并将__wait从等待队列中清除掉，从而进程能够调度运行。如果进程当前有异步信号（POSIX的），则返回-ERESTARTSYS。
挂起的进程并不会自动转入运行的，因此，还需要一个唤醒动作，这个动作由wake_up_interruptible()完成，它将遍历作为参数传入的log_wait等待队列，将其中所有的元素（通常都是task_struct）置为运行态，从而可被调度到，执行__wait_event_interruptible()中的代码。
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(log_wait)经过宏展开后就是定义了一个log_wait等待队列头变量：
struct __wait_queue_head log_wait = {
lock: SPIN_LOCK_UNLOCKED,
task_list: { &log_wait.task_list, &log_wait.task_list }
}
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其中task_list是struct list_head变量，包括两个list_head指针，一个next、一个prev，这里把它们初始化为自身，属于队列实现上的技巧，其细节可以参阅关于内核list数据结构的讨论，add_wait_queue()和remove_wait_queue()就等同于list_add()和list_del()。
wait_queue_t结构在include/linux/wait.h中定义，关键元素即为一个struct task_struct变量表征当前进程。
除了wait_event_interruptible()/wake_up_interruptible()以外，与此相对应的还有wait_event()和wake_up()接口，interruptible是更安全、更常用的选择，因为可中断的等待可以接收信号，从而挂起的进程允许被外界kill。
wait_event*()接口是2.4内核引入并推荐使用的，在此之前，最常用的等待操作是interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *wq)，当然，与此配套的还有不可中断版本sleep_on()，另外，还有带有超时控制的*sleep_on_timeout()。sleep_on系列函数的语义比wait_event简单，没有条件判断功能，其余动作与wait_event完全相同，也就是说，我们可以用interruptible_sleep_on()来实现wait_event_interruptible()（仅作示意〉：
do{
interruptible_sleep_on(&log_wait);
if(condition)
break;
}while(1);
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相对而言，这种操作序列有反复的入队、出队动作，更加耗时，而很大一部分等待操作的确是需要判断一个条件是否满足的，因此2.4才推荐使用wait_event接口。
在wake_up系列接口中，还有一类wake_up_sync()和wake_up_interruptible_sync()接口，保证调度在wake_up返回之后进行。
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POSIX有信号量，SysV IPC有信号量，核内也有信号量，接口很简单，一个down()，一个up()，分别对应P操作和V操作，down()调用可能引起线程挂起，因此和sleep_on类似，也有interruptible系列接口。down意味着信号量减1，up意味着信号量加1，这两个操作显然需要互斥。在Linux 2.4中，并没有如想象中的用锁实现，而是使用了原子操作。
在include/asm/atomic.h中定义了一系列原子操作，包括原子读、原子写、原子加等等，大多是直接用汇编语句来实现的，这里就不详细解释。
我们从信号量数据结构开始，它定义在include/asm/semaphore.h中：
struct semaphore {
atomic_t count;
int sleepers;
wait_queue_head_t wait;
}
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down()操作可以理解为申请资源，up()操作可以理解为释放资源，因此，信号量实际表示的是资源的数量以及是否有进程正在等待。在semaphore结构中，count相当于资源计数，为正数或0时表示可用资源数，-1则表示没有空闲资源且有等待进程。而等待进程的数量并不关心。这种设计主要是考虑与信号量的原语相一致，当某个进程执行up()函数释放资源，点亮信号灯时，如果count恢复到0，则表示尚有进程在等待该资源，因此执行唤醒操作。一个典型的down()-up()流程是这样的：
down()-->count做原子减1操作，如果结果不小于0则表示成功申请，从down()中返回；
-->如果结果为负（实际上只可能是-1），则表示需要等待，则调用__down_fail()；
__down_fail()调用__down()，__down()用C代码实现，要求已不如down()和__down_fail()严格，在此作实际的等待（arch/i386/kernel/semaphore.c）：
void __down(struct semaphore * sem)
{
struct task_struct *tsk = current;
DECLARE_WAITQUEUE(wait, tsk);
tsk->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
add_wait_queue_exclusive(&sem->wait, &wait);
spin_lock_irq(&semaphore_lock);
sem->sleepers++;
for (;;) {
int sleepers = sem->sleepers;
/*
* Add "everybody else" into it. They aren't
* playing, because we own the spinlock.
*/
if (!atomic_add_negative(sleepers - 1, &sem->count)) {
sem->sleepers = 0;
break;
}
sem->sleepers = 1; /* us - see -1 above */
spin_unlock_irq(&semaphore_lock);
schedule();
tsk->state = TASK_UNINTERRUPTIBLE;
spin_lock_irq(&semaphore_lock);
}
spin_unlock_irq(&semaphore_lock);
remove_wait_queue(&sem->wait, &wait);
tsk->state = TASK_RUNNING;
wake_up(&sem->wait);
}
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__down()-->当前进程进入wait等待队列，状态为不可中断的挂起，sleepers++，如果这是第一次申请失败，则sleepers值为1，否则为2--这个设置纯粹是为了下面这句原子加而安排的。
在真正进入休眠以前，__down()还是需要判断一下是不是确实没有资源可用，因为在spin_lock之前什么都可能发生。atomic_add_negative()将sleepers-1（只可能是0或者1，分别表示仅有一个等待进程或是多个）加到count（如果有多个进程申请资源失败进入__down()，count可能为-2、-3等）之上，这个加法完成后，结果为0只可能是在sleepers等于1的时候发生（因为如果sleepers等于2，表示有多个进程执行了down()，则count必然小于-1，因此sleepers-1+count必然小于0），表示count在此之前已经变为0了，也就是说已经有进程释放了资源，因此本进程不用休眠而是获得资源退出__down()，从而也从down()中返回；如果没有进程释放资源，那么在所有等待进程的这一加法完成后，count将等于-1。因此，从down()调用外面看（无论是在down()中休眠还是获得资源离开down()），count为负时只可能为-1（此时sleepers等于1），这么设计使得up()操作只需要对count加1，判断是否为0就可以知道是否有必要执行唤醒操作__up_wakeup()了。
获得了资源的进程将把sleepers设为0，并唤醒所有其他等待进程，这个操作实际上只是起到恢复count为-1，并使它们再次进入休眠的作用，因为第一个被唤醒的等待进程执行atomic_add_negative()操作后会将count恢复为-1，然后将sleepers置为1；以后的等待进程则会像往常一样重新休眠。
将down()操作设计得如此复杂的原因和结果就是up操作相当简单。up()利用汇编原子地将count加1，如果小于等于0表示有等待进程，则调用__up_wakeup()-->__up()唤醒wait；否则直接返回。
在down()中竞争获得资源的进程并不是按照优先级排序的，只是在up()操作完成后第一个被唤醒或者正在__down()中运行而暂未进入休眠的进程成功的可能性稍高一些。
尽管可以将信号量的count初始化为1从而实现一种互斥锁（mutex），但Linux并不保证这个count不会超过1，因为up操作并不考虑count的初值，所以只能依靠程序员自己来控制不要无谓的执行up()从而破坏mutex的语义。相关的初始化接口定义在include/asm/semaphore.h中，但一般程序员可以通过sema_init()接口来初始化信号量：
#define DECLARE_MUTEX(name) __DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name,1) #define DECLARE_MUTEX_LOCKED(name) __DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name,0) static inline void sema_init (struct semaphore *sem, int val) static inline void init_MUTEX (struct semaphore *sem) static inline void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem) |
除了down()以外，Linux还提供了一个down_interruptible()，操作序列与down()基本相同，仅在休眠状态为可中断和信号处理上有所不同。在标准的信号量以外，还有一套读写信号量，用于将资源的读写区分开来进行同步以提高效率，采用读写锁来实现，有兴趣的可以参阅文后列出的参考资料。
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锁是一个概念，正如上面提到的mutex互斥锁仅仅是其中的一种。互斥锁被锁定时进入休眠，而系统还能正常运转，但有很多时候，锁应该不仅仅互斥访问，甚至应该让系统挂起，直至锁成功，也就是说在锁操作中"自旋"，这就是Linux中的spinlock机制。
从实现上来说，自旋锁比较简单，主要分为两部分，一部分是中断处理，一部分是自旋处理，最基础的部分在spin_lock_string和spin_unlock_string这两段汇编代码中：
#define spin_lock_string \
"\n1:\t" \
"lock ; decb %0\n\t" \
"js 2f\n" \
".section .text.lock,\"ax\"\n" \
"2:\t" \
"cmpb $0,%0\n\t" \
"rep;nop\n\t" \
"jle 2b\n\t" \
"jmp 1b\n" \
".previous"
#define spin_unlock_string \
"movb $1,%0"
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不详细解释这段汇编代码的语义，spin_lock_string对锁原子减1，循环检查锁值，直到锁值大于0；而spin_unlock_string则是对锁赋值1。spin_lock_string用于构成spin_lock()函数，spin_unlock_string用于构成spin_unlock()函数。
spin_lock()/spin_unlock()构成了自旋锁机制的基础，它们和关中断local_irq_disable()/开中断local_irq_enable()、关bh local_bh_disable()/开bh local_bh_enable()、关中断并保存状态字local_irq_save()/开中断并恢复状态字local_irq_restore()结合就形成了整套自旋锁机制，接口定义在include/linux/spinlock.h中，这里就不列举了。
实际上，以上提到的spin_lock()都是在CONFIG_SMP的前提下才会生成的，也就是说，在单处理机系统中，spin_lock()是一条空语句，因为在处理机执行它的语句时，不可能受到打扰，语句肯定是串行的。在这种简单情况下，spin_lock_irq()就只需要锁中断就可以完成任务了。在include/linux/spinlock.h中就用#ifdef CONFIG_SMP来区分两种不同的情况。
自旋锁有很多种，信号量也可以用来构成互斥锁，原子操作也有锁功能，而且还有与标准锁机制类似的读写锁变种，在不同的应用场合应该选择不同的锁，下一节就是介绍如何选择。
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如果所访问的共享资源仅在用户上下文中使用，最高效的办法就是使用信号量。在net/core/netfilter.c中有一处使用信号量的例子：
static DECLARE_MUTEX(nf_sockopt_mutex);
int nf_register_sockopt(struct nf_sockopt_ops *reg)
{
...
if (down_interruptible(&nf_sockopt_mutex) != 0)
return -EINTR;
...
out:
up(&nf_sockopt_mutex);
return ret;
}
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此时有两种情况需要使用锁，一是用户上下文被bottom half中断，二是多个处理机同时进入一个临界段。一般情况下，使用spin_lock_bh()/spin_unlock_bh()可以满足要求，它将关闭当前CPU的bottom half，然后再获取锁，直至离开临界段再释放并对bottom half重新使能。
tasklet与bottom half的实现机制是一样的，实际上spin_lock_bh()也同时关闭了tasklet的执行，因此，在这种情况下，用户上下文与tasklet之间的同步也使用spin_lock_bh()/spin_unlock_bh()。
bottom half本身的机制就保证了不会有多于1个的bottom half同时处于运行态，即使对于SMP系统也是如此，因此，在设计共享数据的bottom half时无需考虑互斥。
tasklet和bottom half类似，也是受到local_bh_disable()保护的，因此，同一个tasklet不会同时在两个CPU上运行；但不同的tasklet却有可能，因此，如果需要同步不同的tasklet访问共享数据的话，就应该使用spin_lock()/spin_unlock()。正如上面提到的，这种保护仅对SMP系统有意义，UP系统中tasklet的运行不会受到另一个tasklet（不论它是否与之相同）的打扰，因此也就没有必要上锁。
softirq是实现tasklet和bottom half的基础，限制较后二者都少，允许两个softirq同时运行于不同的CPU之上，而不论它们是否来自同一个softirq代码，因此，在这种情况下，都需要用spin_lock()/spin_unlock()来同步。
硬中断是指硬件中断的处理程序上下文，软中断包括softirq和在它基础上实现的tasklet和bottom half等，此时，为了防止硬件中断软中断的运行，同步措施必须包括关闭硬件中断，spin_lock_irq()/spin_unlock_irq()就包括这个动作。还有一对API，spin_lock_irqsave()/spin_unlock_irqrestore()，不仅关闭中断，还保存机器状态字，并在打开中断时恢复。
首先需要提醒的是"死锁"，这在操作系统原理的课本上都做过介绍，无论是使用信号量还是使用自旋锁，都有可能产生死锁，特别是自旋锁，如果死锁在spin_lock上，整个系统就会挂起。如何避免死锁是理论课的问题，这里就不多说了。
另外一点就是尽可能短时间的锁定，因此，"对数据上锁，而不是对代码上锁"就成了一个简单的原则；在有可能的情况下，使用读写锁，而不要总是使用互斥锁；对读写排序，使用原子操作，从而完全避免使用锁，也是一个不错的设计思想。
不要在锁定状态下调用可能引起休眠的操作，以下这些操作就是目前可能因此休眠的函数：
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杨沙洲，现为国防科技大学计算机学院博士生，主要研究领域为操作系统技术 | ||
