内核同步机制

2021-07-20 10:22:59

内核中用于临界区保护下的互斥机制，它包括自旋锁、原子操作和信号量，三者保证了对临界资源访问的互斥型。

1.1 内核中的互斥机制

1.1.1 自旋锁

自旋锁用在多个CPU系统中。当一个线程在一个CPU上正使用资源，而另一个线程在另一个CPU上正忙等待这个资源的时候，就会用到自旋锁来保护临界资源。在单处理器系统中，自旋锁函数扩展为空。

自旋锁基于共享变量。函数通过给变量设置一个值来获得锁，其他需要锁的函数就会查询它，并知道锁现在不可用，然后在一个忙等待的循环中“自旋”，直到锁可用为止。

由于使用自旋锁时，其他CPU被强制等待。因此持有自旋锁的函数不能花费过长时间。

下面说明操作自旋锁的宏：

spin_loc(spinlock_t *lock):获得给定的锁，直到锁成为可用状态为止。在spin_lock返回之后，调用函数将拥有该锁。
spin_lock_irq(spinlock_t *lock):类似spin_lock_irqsave，只是不保存当前的中断状态。
spin_lock_bh(spinlock_t *lock):获得给定的锁并且阻止底半部的执行。
spin_unlock(spinlock_t *lock):此宏开锁，它与前面加锁的宏是配对使用的。spin_unlock解开给定的锁而不做其他的工作。
spin_unlock_irq(spinlock_t *lock):此宏开锁，它与前面加锁的宏是配对使用的。spin_unlock_irq无条件地启动中断。
spin_unlock_bh(spinlock_t *lock):此宏开锁，它与前面加锁的宏是配对使用的。spin_unlock_bh重新启动底半部处理。

linux还有另外一种类型的自旋锁，称为“读者/写者自旋锁”。读者/写者问题，即如果有多个线程（进程、中断处理程序、底半部例程）需要以只读的方式访问一个临界区数据，众多的读者之间不会彼此干预，而只有写者之间会产生竞争。

自旋锁它是为为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，"自旋"一词就是因此而得名。

自旋锁一般原理

跟互斥锁一样，一个执行单元要想访问被自旋锁保护的共享资源，必须先得到锁，在访问完共享资源后，必须释放锁。如果在获取自旋锁时，没有任何执行单元保持该锁，那么将立即得到锁；如果在获取自旋锁时锁已经有保持者，那么获取锁操作将自旋在那里，直到该自旋锁的保持者释放了锁。由此我们可以看出，自旋锁是一种比较低级的保护数据结构或代码片段的原始方式，这种锁可能存在两个问题：死锁和过多占用cpu资源。

自旋锁适用情况

自旋锁比较适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况。正是由于自旋锁使用者一般保持锁时间非常短，因此选择自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋锁的效率远高于互斥锁。信号量和读写信号量适合于保持时间较长的情况，它们会导致调用者睡眠，因此只能在进程上下文使用，而自旋锁适合于保持时间非常短的情况，它可以在任何上下文使用。如果被保护的共享资源只在进程上下文访问，使用信号量保护该共享资源非常合适，如果对共享资源的访问时间非常短，自旋锁也可以。但是如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。自旋锁保持期间是抢占失效的，而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的。自旋锁只有在内核可抢占或SMP（多处理器）的情况下才真正需要，在单CPU且不可抢占的内核下，自旋锁的所有操作都是空操作。另外格外注意一点：自旋锁不能递归使用。

关于自旋锁的定义以及相应的API

自旋锁定义: linux/Spinlock.h

typedef struct spinlock {
          union { //联合
             struct raw_spinlock rlock;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
# define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))
             struct{
                     u8 __padding[LOCK_PADSIZE];
                     struct lockdep_map dep_map;
             };
#endif
         };
} spinlock_t;

定义和初始化

spinlock_t my_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED; 
void spin_lock_init(spinlock_t *lock);

自旋锁操作：

//加锁一个自旋锁函数
void spin_lock(spinlock_t *lock);                                   //获取指定的自旋锁
void spin_lock_irq(spinlock_t *lock);                               //禁止本地中断获取指定的锁
void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags);      //保存本地中断的状态,禁止本地中断,并获取指定的锁
void spin_lock_bh(spinlock_t *lock)                                 //安全地避免死锁, 而仍然允许硬件中断被服务


//释放一个自旋锁函数
void spin_unlock(spinlock_t *lock);                                 //释放指定的锁
void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock);                             //释放指定的锁,并激活本地中断
void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags); //释放指定的锁,并让本地中断恢复到以前的状态
void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock);                              //对应于spin_lock_bh


//非阻塞锁
int spin_trylock(spinlock_t *lock);                  //试图获得某个特定的自旋锁,如果该锁已经被争用,该方法会立刻返回一个非0值,
                                                     //而不会自旋等待锁被释放,如果成果获得了这个锁,那么就返回0.
int spin_trylock_bh(spinlock_t *lock);                           
//这些函数成功时返回非零( 获得了锁 ), 否则 0. 没有"try"版本来禁止中断.

//其他
int spin_is_locked(spinlock_t *lock);               //和try_lock()差不多

1.2 原子操作

原子操作指某些操作的执行不可中断。原子操作分为bitops和atomic_两类。在原子操作中，常遇到声明volatile。将变量声明为volatile时，系统会阻止编译器对给值进行优化，确保变量使用了用户定义的精确地址，而不是装有同一信息的一些别名。

bitops原子操作方式是在一些标志的设置需要进行原子操作的情况下使用的。原子的位操作是非常快的，使用单条机器指令来完成操作。

atomic_t原子操作方式用于加减之类的运算，这个操作是原子性的，它用单条机器指令来完成操作。

1.3 信号量

进程间对共享资源的互斥访问是通过信号量机制来实现的。内核中提供了函数down和函数up对信号量进行操作。

信号量和自旋锁有一定的区别，用信号量的down操作如果无法得到资源，那就会进入等待队列，通过调度去运行其他进程。而在自旋锁中，如果无法得到资源，将进入忙等待，直到得到资源。因此，如果资源被占用时间很短，则使用自旋锁较好，因为它可节约调度时间。如果资源被占用的时间较长，使用信号量较好，因为可让CPU调度去做其他进程的工作。

信号量的实现包括信号量的初始化及函数up和函数down的实现。

1.3.1信号量

信号量又称为信号灯，它是用来协调不同进程间的数据对象的，而最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。一般说来，为了获得共享资源，进程需要执行下列操作：
　　（1）测试控制该资源的信号量。
　　（2）若此信号量的值为正，则允许进行使用该资源。进程将信号量减1。
　　（3）若此信号量为0，则该资源目前不可用，进程进入睡眠状态，直至信号量值大于0，进程被唤醒，转入步骤（1）。
　　（4）当进程不再使用一个信号量控制的资源时，信号量值加1。如果此时有进程正在睡眠等待此信号量，则唤醒此进程。
　　维护信号量状态的是Linux内核操作系统而不是用户进程。我们可以从头文件/usr/src/linux/include/linux/sem.h 中看到内核用来维护信号量状态的各个结构的定义。信号量是一个数据集合，用户可以单独使用这一集合的每个元素。要调用的第一个函数是semget，用以获得一个信号量ID。Linux2.6.26下定义的信号量结构体：

struct semaphore {
        spinlock_t                lock;
        unsigned int             count;
        struct list_head        wait_list;
};

从以上信号量的定义中，可以看到信号量底层使用到了spin lock的锁定机制，这个spinlock主要用来确保对count成员的原子性的操作(count--)和测试(count > 0)。

1.信号量的P操作：
(1).void down(struct semaphore *sem);
(2).int down_interruptible(struct semaphore *sem);
(3).int down_trylock(struct semaphore *sem);

说明：

(1)中的函数根据2.6.26中的代码注释，这个函数已经out了(Use of this function is deprecated)，所以从实用角度，彻底忘了它吧。

(2)最常用，函数原型

/**
* down_interruptible - acquire the semaphore unless interrupted
* @sem: the semaphore to be acquired
*
* Attempts to acquire the semaphore.  If no more tasks are allowed to
* acquire the semaphore, calling this function will put the task to sleep.
* If the sleep is interrupted by a signal, this function will return -EINTR.
* If the semaphore is successfully acquired, this function returns 0.
*/
int down_interruptible(struct semaphore *sem)
{
        unsigned long flags;
        int result = 0;

        spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
        if (likely(sem->count > 0))
                sem->count--;
        else
                result = __down_interruptible(sem);
        spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);

        return result;
}

对此函数的理解：在保证原子操作的前提下，先测试count是否大于0，如果是说明可以获得信号量，这种情况下需要先将count--，以确保别的进程能否获得该信号量，然后函数返回，其调用者开始进入临界区。如果没有获得信号量，当前进程利用struct semaphore 中wait_list加入等待队列，开始睡眠。

对于需要休眠的情况，在__down_interruptible()函数中，会构造一个struct semaphore_waiter类型的变量（struct semaphore_waiter定义如下：

struct semaphore_waiter 
{         
        struct list_head list;         
        struct task_struct *task;         
        int up; 
};

将当前进程赋给task，并利用其list成员将该变量的节点加入到以sem中的wait_list为头部的一个列表中，假设有多个进程在sem上调用down_interruptible，则sem的wait_list上形成的队列如下图：

(注：将一个进程阻塞，一般的经过是先把进程放到等待队列中，接着改变进程的状态，比如设为TASK_INTERRUPTIBLE，然后调用调度函数schedule()，后者将会把当前进程从cpu的运行队列中摘下)

(3)试图去获得一个信号量，如果没有获得，函数立刻返回1而不会让当前进程进入睡眠状态。

2.信号量的V操作

void up(struct semaphore *sem)；

原型如下：

/**
* up - release the semaphore
* @sem: the semaphore to release
*
* Release the semaphore.  Unlike mutexes, up() may be called from any
* context and even by tasks which have never called down().
*/
void up(struct semaphore *sem)
{
        unsigned long flags;

        spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
        if (likely(list_empty(&sem->wait_list)))
                sem->count++;
        else
                __up(sem);
        spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}

如果没有其他线程等待在目前即将释放的信号量上，那么只需将count++即可。如果有其他线程正因为等待该信号量而睡眠，那么调用__up.

__up的定义：

static noinline void __sched __up(struct semaphore *sem)
{
        struct semaphore_waiter *waiter = list_first_entry(&sem->wait_list,    struct semaphore_waiter, list);
        list_del(&waiter->list);
        waiter->up = 1;
        wake_up_process(waiter->task);
}

这个函数首先获得sem所在的wait_list为头部的链表的第一个有效节点，然后从链表中将其删除，然后唤醒该节点上睡眠的进程。
由此可见，对于sem上的每次down_interruptible调用，都会在sem的wait_list链表尾部加入一新的节点。对于sem上的每次up调用，都会删除掉wait_list链表中的第一个有效节点，并唤醒睡眠在该节点上的进程。

关于Linux环境下信号量其他API 详见LKD和ULD

1.4 互斥体

互斥体实现了“互相排斥”（mutual exclusion）同步的简单形式（所以名为互斥体(mutex)）。互斥体禁止多个线程同时进入受保护的代码“临界区”（critical section）。因此，在任意时刻，只有一个线程被允许进入这样的代码保护区。
　　任何线程在进入临界区之前，必须获取（acquire）与此区域相关联的互斥体的所有权。如果已有另一线程拥有了临界区的互斥体，其他线程就不能再进入其中。这些线程必须等待，直到当前的属主线程释放（release）该互斥体。
　　什么时候需要使用互斥体呢？互斥体用于保护共享的易变代码，也就是，全局或静态数据。这样的数据必须通过互斥体进行保护，以防止它们在多个线程同时访问时损坏

Linux 2.6.26中mutex的定义：

struct mutex {
        /* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */
        atomic_t                  count;
        spinlock_t                wait_lock;
        struct list_head          wait_list;
#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
        struct thread_info        *owner;
        const char                *name;
        void                      *magic;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
        struct lockdep_map         dep_map;
#endif
};

对比前面的struct semaphore，struct mutex除了增加了几个作为debug用途的成员变量外，和semaphore几乎长得一样。但是mutex的引入主要是为了提供互斥机制，以避免多个进程同时在一个临界区中运行。

如果静态声明一个count=1的semaphore变量，可以使用DECLARE_MUTEX(name)，DECLARE_MUTEX(name)实际上是定义一个semaphore，所以它的使用应该对应信号量的P,V函数.

如果要定义一个静态mutex型变量，应该使用DEFINE_MUTEX

如果在程序运行期要初始化一个mutex变量，可以使用mutex_init（mutex），mutex_init是个宏，在该宏定义的内部，会调用__mutex_init函数。

#define mutex_init(mutex)                                                   \
do {                                                                        \
        static struct lock_class_key __key;                                 \
                                                                            \ 
        __mutex_init((mutex), #mutex, &__key);                              \
} while (0)

__mutex_init定义如下：

/***
* mutex_init - initialize the mutex
* @lock: the mutex to be initialized
*
* Initialize the mutex to unlocked state.
*
* It is not allowed to initialize an already locked mutex.
*/
void
__mutex_init(struct mutex *lock, const char *name, struct lock_class_key *key)
{
        atomic_set(&lock->count, 1);
        spin_lock_init(&lock->wait_lock);
        INIT_LIST_HEAD(&lock->wait_list);

        debug_mutex_init(lock, name, key);
}

从__mutex_init的定义可以看出，在使用mutex_init宏来初始化一个mutex变量时，应该使用mutex的指针型。

mutex上的P,V操作：void mutex_lock(struct mutex *lock)和void __sched mutex_unlock(struct mutex *lock)

从原理上讲，mutex实际上是count=1情况下的semaphore，所以其PV操作应该和semaphore是一样的。但是在实际的Linux代码上，出于性能优化的角度，并非只是单纯的重用down_interruptible和up的代码。以ARM平台的mutex_lock为例，实际上是将mutex_lock分成两部分实现：fast
path和slow path，主要是基于这样一个事实：在绝大多数情况下，试图获得互斥体的代码总是可以成功获得。所以Linux的代码针对这一事实用ARM
V6上的LDREX和STREX指令来实现fast path以期获得最佳的执行性能。这里对于mutex的实现细节，不再多说，如欲深入了解，参考APUE和ULD

1.5 信号量、互斥体和自旋锁的区别

信号量/互斥体和自旋锁的区别

信号量/互斥体允许进程睡眠属于睡眠锁，自旋锁则不允许调用者睡眠，而是让其循环等待，所以有以下区别应用
    1）、信号量和读写信号量适合于保持时间较长的情况，它们会导致调用者睡眠，因而自旋锁适合于保持时间非常短的情况
    2）、自旋锁可以用于中断，不能用于进程上下文(会引起死锁)。而信号量不允许使用在中断中，而可以用于进程上下文
    3）、自旋锁保持期间是抢占失效的，自旋锁被持有时，内核不能被抢占，而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的

另外需要注意的是
   1）、信号量锁保护的临界区可包含可能引起阻塞的代码，而自旋锁则绝对要避免用来保护包含这样代码的临界区，因为阻塞意味着要进行进程的切换，如果进程被切换出去后，另一进程企图获取本自旋锁，死锁就会发生。
     2）、在你占用信号量的同时不能占用自旋锁，因为在你等待信号量时可能会睡眠，而在持有自旋锁时是不允许睡眠的。

信号量和互斥体之间的区别

概念上的区别：

信号量：是进程间（线程间）同步用的，一个进程（线程）完成了某一个动作就通过信号量告诉别的进程（线程），别的进程（线程）再进行某些动作。有二值和多值信号量之分。

互斥锁：是线程间互斥用的，一个线程占用了某一个共享资源，那么别的线程就无法访问，直到这个线程离开，其他的线程才开始可以使用这个共享资源。可以把互斥锁看成二值信号量。

上锁时：

信号量: 只要信号量的value大于0，其他线程就可以sem_wait成功，成功后信号量的value减一。若value值不大于0，则sem_wait阻塞，直到sem_post释放后value值加一。一句话，信号量的value>=0。

互斥锁: 只要被锁住，其他任何线程都不可以访问被保护的资源。如果没有锁，获得资源成功，否则进行阻塞等待资源可用。一句话，线程互斥锁的vlaue可以为负数。

使用场所：

信号量主要适用于进程间通信，当然，也可用于线程间通信。而互斥锁只能用于线程间通信。

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