有点标题党了，本意是想把对内核锁机制的一些实现细节记录下来，但多少反映了锁机制实现时的一些准则。本文讨论的锁机制主要指基于计数器的锁机制例如 spinlock、mutex，不包括 RCU 这类锁机制。
parallesim
在讨论各种锁机制之前，有必要讨论系统的并行度，即有哪些潜在的竞争场景
- 中断上下文与进程上下文对共享资源的访问，由于中断是异步进行的，因而中断与进程是并发执行的，当中断上下文与进程上下文同时对共享资源进行访问时，就有可能形成竞争
- 在 UP 与 SMP 系统中，当处理器是可抢占的时，由于可抢占的特性，同一个处理器内进程与进程间是并发执行的
- 在 SMP 系统中，多处理器间的进程是严格意义上的并发执行的
parallesim from preemption
在单处理器上，进程之间的抢占是并行度的一大来源，为了排除进程抢占带来的并行度，在锁机制的实现过程中必须关闭抢占
parallesim from SMP
在 SMP 系统中，多处理器之间是严格并发执行的
目前内核中大部分锁机制使用 counter based locking 来排除多处理器之间的并行度，其原理是维护一个整型数据类型的 counter 计数器，计数器的值就表示可用资源的份数，在申请占用资源的时候计数器就加 1，在申请释放资源的时候计数器就减 1
counter based 的锁机制在实现时都需要考虑 atomic 与 barrier 两个维度
atomic
首先，counter based 的锁机制的核心都是整型数据类型的 counter 计数器，需要保证对计数的操作是 atomic 的
现代处理器架构一般都保证对整型数据类型的 load 或 store 操作原生是 atomic 的，但是锁机制中大量涉及的是 add/sub 即 RMW (Read-Modify-Write) 操作，但是处理器架构一般不能保证 RMW (Read-Modify-Write) 操作原生是 atomic 的
- x86 架构下使用 LOCK 指令来实现 atomic RMW (read-modify-write)
- ARM 架构下提供 LDREX/STREX 指令来实现 atomic RMW (read-modify-write)
acquire/release barrier
只有 atomic RMW (read-modify-write) 还不够，因为 memory reordering 可能会将 lock 操作之后的内存访问指令重排到 lock 操作之前执行
update counter
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LOCK
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critical area也有可能将 unlock 操作之前的内存访问指令重排到 unlock 操作之后执行
critical area
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UNLOCK
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update counter因而 counter based 的锁机制还需要实现 acquire/release 语义，从而确保 lock 操作之后的内存访问指令不会重排到 lock 操作之前执行
update counter
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read acquire (LOCK)
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critical area stay below the lineunlock 操作之前的内存访问指令不会重排到 unlock 操作之后执行
critical area stay above the line
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write release (UNLOCK)
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update counter这就需要在 lock 操作的最后调用 acquire barrier，在 unlock 操作的最开始调用 release barrier，从而确保 lock/unlock 之间的内存访问指令一定位于 lock/unlock 之间
x86 架构下由于只存在 StoreLoad reorder，因而天生满足 acquire/release 语义，因而 x86 架构下以上这两个 barrier 的定义都为空
aarch64 架构下则使用 dmb 指令实现 acquire/release 语义
parallesim from IRQ
以上 atomic、barrier、preemption 三个维度实现的锁机制，不是中断安全的，即并不能排除中断带来的并行度
如果锁机制需要保护的共享资源不会被中断处理程序访问，即只是在 process context 之间共享，那么以上三个维度 atomic、barrier、preemption 实现的锁机制就完全够用了
而如果共享资源还会被中断处理程序访问，也就是共享资源实际上是在 process context 和 interrupt context 之间共享，那么由 process context 这一方发起的上锁的过程中，还必须关闭全局中断，例如 spinlock 就提供了 spin_lock_irq()/spin_unlock_irq() 这类的接口