Linux 同步方法剖析

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-linux-synchronization.html

在 学习 Linux® 的过程中，您也许接触过并发（concurrency）、临界段（critical section）和锁定，但是如何在内核中使用这些概念呢？本文讨论了 2.6 版内核中可用的锁定机制，包括原子运算符（atomic operator）、自旋锁（spinlock）、读/写锁（reader/writer lock）和内核信号量（kernel semaphore）。 本文还探讨了每种机制最适合应用到哪些地方，以构建安全高效的内核代码。

本文讨论了 Linux 内核中可用的大量同步或锁定机制。这些机制为 2.6.23 版内核的许多可用方法提供了应用程序接口（API）。但是在深入学习 API 之前，首先需要明白将要解决的问题。

当存在并发特性时，必须使用同步方法。当在同一时间段出现两个或更多进程并且这些进程彼此交互（例如，共享相同的资源）时，就存在并发 现象。

在单处理器（uniprocessor，UP）主机上可能发生并发，在这种主机中多个线程共享同一个 CPU 并且抢占（preemption）创建竞态条件。抢占 通过临时中断一个线程以执行另一个线程的方式来实现 CPU 共享。竞态条件 发 生在两个或更多线程操纵一个共享数据项时，其结果取决于执行的时间。在多处理器（MP）计算机中也存在并发，其中每个处理器中共享相同数据的线程同时执 行。注意在 MP 情况下存在真正的并行（parallelism），因为线程是同时执行的。而在 UP 情形中，并行是通过抢占创建的。两种模式中实现并发都较为困难。

Linux 内核在两种模式中都支持并发。内核本身是动态的，而且有许多创建竞态条件的方法。Linux 内核也支持多处理（multiprocessing），称为对称多处理（SMP）。可以在本文后面的 参考资料 部分学到更多关于 SMP 的知识。

临界段概念是为解决竞态条件问题而产生的。一个临界段 是一段不允许多路访问的受保护的代码。这段代码可以操纵共享数据或共享服务（例如硬件外围设备）。临界段操作时坚持互斥锁（mutual exclusion）原则（当一个线程处于临界段中时，其他所有线程都不能进入临界段）。

临 界段中需要解决的一个问题是死锁条件。考虑两个独立的临界段，各自保护不同的资源。每个资源拥有一个锁，在本例中称为 A 和 B。假设有两个线程需要访问这些资源，线程 X 获取了锁 A，线程 Y 获取了锁 B。当这些锁都被持有时，每个线程都试图占有其他线程当前持有的锁（线程 X 想要锁 B，线程 Y 想要锁 A）。这时候线程就被死锁了，因为它们都持有一个锁而且还想要其他锁。一个简单的解决方案就是总是按相同次序获取锁，从而使其中一个线程得以完成。还需要 其他解决方案检测这种情形。表 1 定义了此处用到的一些重要的并发术语。

术语定义竞态条件临界段互斥锁死锁

两个或更多线程同时操作资源时将会导致不一致的结果。

用于协调对共享资源的访问的代码段。

确保对共享资源进行排他访问的软件特性。

由两个或更多进程和资源锁导致的一种特殊情形，将会降低进程的工作效率。

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如 果您了解了一些基本理论并且明白了需要解决的问题，接下来将学习 Linux 支持并发和互斥锁的各种方法。在以前，互斥锁是通过禁用中断来提供的，但是这种形式的锁定效率比较低（现在在内核中仍然存在这种用法）。这种方法也不能进 行扩展，而且不能保证其他处理器上的互斥锁。

在以下关于锁定机制的讨论中，我们首先看一下原子运算符，它可以保护简单变量（计数器和位掩码 （bitmask））。然后介绍简单的自旋锁和读/写锁，它们构成了一个 SMP 架构的忙等待锁（busy-wait lock）覆盖。最后，我们讨论构建在原子 API 上的内核互斥锁。

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Linux 中最简单的同步方法就是原子操作。原子 意 味着临界段被包含在 API 函数中。不需要额外的锁定，因为 API 函数已经包含了锁定。由于 C 不能实现原子操作，因此 Linux 依靠底层架构来提供这项功能。各种底层架构存在很大差异，因此原子函数的实现方法也各不相同。一些方法完全通过汇编语言来实现，而另一些方法依靠 c 语言并且使用 local_irq_save 和 local_irq_restore 禁用中断。

在内核中实现锁定的一种不太好的方法是通过禁用本地 CPU 的硬中断。这些函数均可用并且仍得到使用（有时用于原子运算符），但我们并不推荐使用。local_irq_save 例程禁用中断，而 local_irq_restore 恢复以前启用过的中断。这些例程都是可重入的（reentrant），也就是说它们可以在其他例程上下文中被调用。

当需要保护的数据非常简单时，例如一个计数器，原子运算符是种理想的方法。尽管原理简单，原子 API 提供了许多针对不同情形的运算符。下面是一个使用此 API 的示例。

要声明一个原子变量（atomic variable），首先声明一个 atomic_t 类型的变量。这个结构包含了单个 int 元素。接下来，需确保您的原子变量使用 ATOMIC_INIT 符号常量进行了初始化。 在清单 1 的情形中，原子计数器被设置为 0。也可以使用atomic_set function 在运行时对原子变量进行初始化。

                
atomic_t my_counter ATOMIC_INIT(0);

... or ...

atomic_set( &my_counter, 0 );

原子 API 支持一个涵盖许多用例的富函数集。可以使用 atomic_read 读取原子变量中的内容，也可以使用 atomic_add 为一个变量添加指定值。最常用的操作是使用 atomic_inc 使变量递增。也可用减号运算符，它的作用与相加和递增操作相反。清单 2. 演示了这些函数。

                
val = atomic_read( &my_counter );

atomic_add( 1, &my_counter );

atomic_inc( &my_counter );

atomic_sub( 1, &my_counter );

atomic_dec( &my_counter );

该 API 也支持许多其他常用用例，包括 operate-and-test 例程。这些例程允许对原子变量进行操纵和测试（作为一个原子操作来执行）。一个叫做 atomic_add_negative 的特殊函数被添加到原子变量中，然后当结果值为负数时返回真（true）。这被内核中一些依赖于架构的信号量函数使用。

许多函数都不返回变量的值，但两个函数除外。它们会返回结果值（ atomic_add_return 和 atomic_sub_return），如清单 3所示。

                
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 ));

如果您的架构支持 64 位长类型（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 中查看可用的长操作（long operation）。

原 子 API 还支持位掩码（bitmask）操作。跟前面提到的算术操作不一样，它只包含设置和清除操作。许多驱动程序使用这些原子操作，特别是 SCSI。位掩码原子操作的使用跟算术操作存在细微的差别，因为其中只有两个可用的操作（设置掩码和清除掩码）。使用这些操作前，需要提供一个值和将要进 行操作的位掩码，如清单 4 所示。

                
unsigned long my_bitmask;

atomic_clear_mask( 0, &my_bitmask );

atomic_set_mask( (1<<24), &my_bitmask );

原子操作依赖于架构，可以在 ./linux/include/asm-/atomic.h 中找到。