内核的几种锁同步解释

 

内核的几种锁同步机制

2014/6/10 冯健

1. atomic原子变量

typedef struct {

int counter;

} atomic_t;

可见，原子变量就是一个赤裸裸的整型，所以原子类型的变量只适用于对整形数据的原子操作。对它的读写都是采用了特殊的指令。

atomic_add(i, v)

atomic_dec(v)

atomic_inc(v)

atomic_sub(i, v)

atomic_set(v,i)

atomic_read(v)等等一系列的原子变量操作函数的实现，严重依赖于特殊指令。

在armv5之前，特殊指令时swp，armv6以后就是ldrex strex两个指令。简单的说，ldrex strex在加载、修改、写入内存变量counter内容时会锁住内存，或者说给内存加独占标记。这样就，可以保证了不存在多个CPU同时访问同一个原子变量。但是仅仅这样不能保证避免被同一个CPU上的中断打断啊？

引入ldrex strex后，只要在ldrex和strex之间对应的原子变量被修改，则strex失败。那么多核环境下，保证了多核间的互斥，同样的，如果单核上，atomic_add执行中产生了中断，影响了对应的v->counter，则atomic_add这次的原子加操作失败了，便重新来过。这样保证了操作的原子性。至于如何判断中断是否影响了对应的v->counter，有的是只要产生总线操作就视为影响，有的则在硬件上处理更为细致。

也就是，如果被中断了，那么这次原子变量操作会失败，可以通过返回值判断！！

而在armv5之前的单核arm架构中，上述原子操作函数是通过raw_local_irq_save来实现的，这样仅仅关闭了本地的中断，因为对原子变量操作的打断只会来自于中断。虽然还可能来自内核抢占，但是，研究之后知道，内核抢占只会发生在中断程序返回内核空间，以及内核线程主动放弃执行的情况下。关闭了本地中断，也就断了内核抢占的来源！！

当然了，现在的情况是，几乎只需要考虑ldrex strex了，arm已经普遍使用到了armv6版本以上。

2. spin_lock自旋锁

自旋锁是一个大而全的锁同步方案！为什么这么说？因为任何想用到锁同步的地方都可以使用它，中断代码中、普通内核代码中都可以，只是开销的问题而已，spin_lock原则是要快而迅速的完成！且临界区内最好不要使用可能引起睡眠的函数，试想，你获取了锁却去睡觉了，若有个人想得到锁，他永远也没办法得到！使用原则可以参见《linux设备驱动归纳总结（四）：5.SMP下的竞态和并发》

在单CPU非抢占内核中，spin_lock_irqsave是空操作。

在单CPU抢占内核中，spin_lock_irqsave是preempt_disable关内核抢占、以及关中断操作。

在多CPU非抢占内核中，spin_lock_irqsave是关本地中断、以及通过atomic操作实现CPU间互锁。

在单CPU抢占内核中，spin_lock_irqsave是关本地中断、preempt_disable关内核抢占、以及通过atomic操作实现CPU间互锁。

我看了源码，在多CPU架构的spin_lock的实现中，我看见了atomic操作的身影，不知道spin_lock_irqsave是不是真的是以atomic为基础来实现的？

3. 信号量/互斥量

struct semaphore {

atomic_t count;

int sleepers;

wait_queue_head_t wait;

};

struct semaphore sem；

sema_init(&sem, count)；

#define init_MUTEX(sem) sema_init(sem, 1)；

可以发现，信号量居然也是使用原子变量作为基本类型，只不过加了一个睡觉进程队列头。信号量显然用于可以睡眠的环境下，那就是说信号量使用的主体应该是进程上下文(系统调用)以及内核线程。中断上下文，显然绝对不可以使用（其实也可以，只要不引起睡眠）！

另外，一般使用的是二元的信号量，也就是互斥量。

4. RCU read-copy-update锁

可以参见深入linux内核架构5.2章节。一种类似于读写锁的机制。

5. 内存屏障

参见 《内存屏障 》