Linux內(nèi)核同步機(jī)制，挺復(fù)雜的一個(gè)東西，常用的有自旋鎖，信號(hào)量，互斥體，原子操作，順序鎖，RCU，內(nèi)存屏障等。這里就說(shuō)說(shuō)它們的特點(diǎn)和基本用法。

　　自旋鎖 ：通用的 和讀寫的

　　特點(diǎn)：

　　1. 處理的時(shí)間很短。

　　2. 嘗試獲取鎖時(shí)，不能睡眠，但是有trylock接口可以直接退出。

　　3. 多用在中斷中。

　　4. 任何時(shí)候只有一個(gè)保持者能夠訪問(wèn)臨界區(qū)。

　　5. 可以被中斷打斷的（硬件和軟件的）

　　6. 獲取自旋鎖后首先就是關(guān)閉了搶占

　　spin_lock使用接口：

　　C

　　1

　　2

　　3

　　4

　　5

　　6

　　7

　　8

　　9

　　10

　　11

　　12

　　13

　　14

　　15

　　16

　　17 void spin_lock_init（spinlock_t *lock）; //init

　　void spin_lock（spinlock_t *lock）; // 獲取鎖

　　void spin_unlock（spinlock_t *lock）; //釋放鎖

　　其他變體

　　typedef struct spinlock {

　　union {

　　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;

　　Rwlock： 讀寫自旋鎖基本特點(diǎn)和通用自旋鎖一樣，但是有時(shí)候多線程頻繁讀取臨界區(qū)如果同時(shí)只能一個(gè)那么效率會(huì)很低，它的特點(diǎn)就是在讀的時(shí)候獲取讀鎖，可以同時(shí)有N個(gè)線程同時(shí)讀，在寫時(shí)需要獲得寫鎖（不能有讀和寫鎖）。

　　在讀操作時(shí)，寫操作必須等待；寫操作時(shí)，讀操作也需要的等待。這樣雖然避免了數(shù)據(jù)的不一致，但是某些操作要等待，后面還會(huì)出現(xiàn)順序鎖，是對(duì)讀寫鎖的優(yōu)化，把寫的優(yōu)先級(jí)調(diào)高了

　　使用接口：

　　C

　　1

　　2

　　3

　　4

　　5

　　6

　　7

　　8

　　9

　　10

　　11

　　12

　　13

　　14

　　15

　　16

　　17

　　18

　　19

　　20

　　21

　　22

　　23

　　24

　　25

　　26rwlock_init（lock）； //init

　　read_lock（lock）; //獲取讀鎖

　　read_unlock（lock） ;

　　write_lock （lock）; //獲取寫鎖

　　write_unlock（lock）;

　　/*

　　* include/linux/rwlock_types.h - generic rwlock type definitions

　　* and initializers

　　*

　　* portions Copyright 2005， Red Hat， Inc.， Ingo Molnar

　　* Released under the General Public License （GPL）。

　　*/

　　typedef struct {

　　arch_rwlock_t raw_lock;

　　#ifdef CONFIG_GENERIC_LOCKBREAK

　　unsigned int break_lock;

　　#endif

　　#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK

　　unsigned int magic， owner_cpu;

　　void *owner;

　　#endif

　　#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC

　　struct lockdep_map dep_map;

　　#endif

　　} rwlock_t;

　　而關(guān)于自旋鎖的缺點(diǎn)？這里找到ibm一個(gè)文章

　　信號(hào)量（semaphore）：通用的 和讀寫的

　　相對(duì)于自旋鎖，它最大的特點(diǎn)就是允許調(diào)用它的線程進(jìn)入睡眠

　　C

　　1

　　2

　　3

　　4

　　5

　　6/* Please don‘t access any members of this structure directly */

　　struct semaphore {

　　raw_spinlock_t lock;

　　unsigned int count;

　　struct list_head wait_list;

　　};

　　void sema_init（struct semaphore *sem， int val）； // val值代表了同時(shí)多少個(gè)線程可以進(jìn)入臨界區(qū)，一般為1 即作為互斥體使用；當(dāng)然》1 時(shí)，并發(fā)操作同一資源會(huì)引發(fā)什么呢？

　　down_interruptible（struct semaphore *sem）; // 獲取信號(hào)量 ，它是可以中斷的。

　　up（struct semaphore *sem）; // 釋放信號(hào)量，一般配對(duì)使用，當(dāng)然也可以在別的線程里釋放它。

　　讀寫信號(hào)量：rwsem 它和讀寫自旋鎖類似 除了線程可以睡眠

　　C

　　1

　　2

　　3

　　4

　　5

　　6

　　7

　　8

　　9

　　10

　　11

　　12

　　13

　　14

　　15

　　16

　　17

　　18

　　19

　　20/* the rw-semaphore definition

　　* - if activity is 0 then there are no active readers or writers

　　* - if activity is +ve then that is the number of active readers

　　* - if activity is -1 then there is one active writer

　　* - if wait_list is not empty， then there are processes waiting for the semaphore

　　*/

　　struct rw_semaphore {

　　__s32 activity;

　　raw_spinlock_t wait_lock;

　　struct list_head wait_list;

　　#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC

　　struct lockdep_map dep_map;

　　#endif

　　};

　　init_rwsem（sem） ； // 初始化

　　down_read（struct rw_semaphore *sem）; // 獲取讀信號(hào)量

　　up_read（struct rw_semaphore *sem）; //釋放讀信號(hào)量

　　down_write（struct rw_semaphore *sem）; //獲取寫信號(hào)量

　　up_write（struct rw_semaphore *sem）; // 釋放寫信號(hào)量

　　互斥體（mutex）：和count=1的信號(hào)量幾乎沒(méi)有區(qū)別，當(dāng)然擁有互斥鎖的進(jìn)程總是盡可能的在短時(shí)間內(nèi)釋放

　　C

　　1

　　2

　　3

　　4

　　5

　　6

　　7

　　8

　　9

　　10

　　11

　　12

　　13

　　14

　　15

　　16

　　17

　　18

　　19

　　20struct mutex {

　　/* 1： unlocked， 0： locked， negative： locked， possible waiters */

　　atomic_t count;

　　spinlock_t wait_lock;

　　struct list_head wait_list;

　　#if defined（CONFIG_DEBUG_MUTEXES） || defined（CONFIG_SMP）

　　struct task_struct *owner;

　　#endif

　　#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES

　　const char *name;

　　void *magic;

　　#endif

　　#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC

　　struct lockdep_map dep_map;

　　#endif

　　};

　　mutex_init（mutex）； // init 互斥鎖

　　mutex_lock（）; //獲取互斥鎖，幾乎都能獲取

　　mutex_unlock（）； //釋放互斥鎖

　　原子操作（atomic）（和架構(gòu)相關(guān)，就是多條指令相當(dāng)于一條指令執(zhí)行，多用于計(jì)數(shù)）

　　組要是在smp上有意義，防止多條指令被多cpu執(zhí)行。也是為了實(shí)現(xiàn)互斥。

　　順序鎖（sequence）

　　特點(diǎn)：

　　和讀寫自旋鎖鎖類似，但是它的寫不會(huì)等待。寫的時(shí)候持有自旋鎖。首先讀者的代碼應(yīng)該盡可能短且寫者不能頻繁獲得鎖，其次被保護(hù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不包括被寫修改的指針或被讀間接引用的指針。當(dāng)要保護(hù)的資源很小很簡(jiǎn)單，會(huì)很頻繁被訪問(wèn)并且寫入操作很少發(fā)生且必須快速時(shí)，就可以用seqlock。

　　C

　　1

　　2

　　3

　　4

　　5

　　6

　　7

　　8

　　9

　　10

　　11

　　12

　　13

　　14

　　15

　　16

　　17

　　18

　　19

　　20

　　21

　　22

　　23

　　24

　　25Seqlock：

　　typedef struct {

　　unsigned sequence;

　　spinlock_t lock;

　　} seqlock_t;

　　seqlock_init（x） / DEFINE_SEQLOCK（x） // init

　　write_seqlock（seqlock_t *sl） ; // 獲取寫鎖

　　write_sequnlock（seqlock_t *sl）;

　　read_seqbegin 和 read_seqretry 結(jié)合使用 //讀時(shí)如果有寫鎖，則循環(huán)等待直到鎖釋放。

　　應(yīng)用實(shí)例drivers/md/md.c

　　retry：

　　seq = read_seqbegin（&bb-》lock）;

　　memset（bbp， 0xff， PAGE_SIZE）;

　　for （i = 0 ; i 《 bb-》count ; i++） {

　　u64 internal_bb = p［i］;

　　u64 store_bb = （（BB_OFFSET（internal_bb） 《《 10）

　　| BB_LEN（internal_bb））;

　　bbp［i］ = cpu_to_le64（store_bb）;

　　}

　　bb-》changed = 0;

　　if （read_seqretry（&bb-》lock， seq））

　　goto retry;

　　RCU：read-copy-update

　　在linux提供的所有內(nèi)核互斥設(shè)施當(dāng)中屬于一種免鎖機(jī)制。Rcu無(wú)需考慮讀和寫的互斥問(wèn)題。

　　它實(shí)際上是rwlock的一種優(yōu)化。讀取者不必關(guān)心寫入者。所以RCU可以讓多個(gè)讀取者與寫入者同時(shí)工作。寫入者的操作比例在10%以上，需要考慮其他互斥方法。并且必須要以指針的方式來(lái)訪問(wèn)被保護(hù)資源。

　　Rcu_read_lock //僅僅是關(guān)閉搶占

　　Rcu_read_unlock //打開(kāi)搶占

　　Rcu_assign_pointer（ptr，new_ptr）

　　//等待隊(duì)列：它并不是一種互斥機(jī)制。它輔助comletion。

　　//它主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)程的睡眠等待。

　　//操作接口：wait/ wake_up

　　C

　　1

　　2

　　3

　　4

　　5struct __wait_queue_head {

　　spinlock_t lock;

　　struct list_head task_list;

　　};

　　typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;

　　完成接口（completion） ：該機(jī)制被用來(lái)在多個(gè)執(zhí)行路徑間作同步使用，即協(xié)調(diào)多個(gè)執(zhí)行路徑的執(zhí)行順序。如果沒(méi)有完成體，則睡眠在wait_list上。這里usb 在提交urb時(shí)會(huì)用到。

　　如果驅(qū)動(dòng)程序要在執(zhí)行后面操作之前等待某個(gè)過(guò)程的完成，它可以調(diào)用wait_for_completion，以要完成的事件為參數(shù)：

　　Completion機(jī)制是線程間通信的一種輕量級(jí)機(jī)制：允許一個(gè)線程告訴另一個(gè)線程工作已經(jīng)完成

　　C

　　1

　　2

　　3

　　4

　　5

　　6

　　7

　　8

　　9

　　10

　　11

　　12struct completion {

　　unsigned int done;

　　wait_queue_head_t wait;

　　};

　　接口：

　　DECLARE_COMPLETION（x） // 靜態(tài)定義completion

　　init_completion（struct completion *x）； // 動(dòng)態(tài)init

　　INIT_COMPLETION（x）; // 初始化一個(gè)已經(jīng)使用過(guò)的completion

　　Wait_for_completion（struct completion *x）；

　　complete（struct completion *）; //done +1，喚醒等待的一個(gè)。

　　Complete_all // 喚醒所有的，一般不會(huì)用。

　　內(nèi)存屏障

　　內(nèi)存屏障主要有：讀屏障、寫屏障、通用屏障、優(yōu)化屏障

　　內(nèi)存屏障主要解決了兩個(gè)問(wèn)題：?jiǎn)?a target="_blank">處理器下的亂序問(wèn)題和多處理器下的內(nèi)存同步問(wèn)題

　　編譯器優(yōu)化以保證程序上下文因果關(guān)系為前提。

　　以 讀屏障為例，它用于保證讀操作有序。屏障之前的讀操作一定會(huì)先于屏障之后的讀操作完成，寫操作不受影響，同屬于屏障的某一側(cè)的讀操作也不受影響。類似的， 寫屏障用于限制寫操作。而通用屏障則對(duì)讀寫操作都有作用。而優(yōu)化屏障則用于限制編譯器的指令重排，不區(qū)分讀寫。前三種屏障都隱含了優(yōu)化屏障的功能。比如：

　　tmp = ttt; *addr = 5; mb（）; val = *data;

　　有了內(nèi)存屏障就了確保先設(shè)置地址端口，再讀數(shù)據(jù)端口。而至于設(shè)置地址端口與tmp的賦值孰先孰后，屏障則不做干預(yù)。有了內(nèi)存屏障，就可以在隱式因果關(guān)系的場(chǎng)景中，保證因果關(guān)系邏輯正確。

　　在Linux中，優(yōu)化屏障就是barrier（）宏，它展開(kāi)為asm volatile（“”：：：”memory”）

　　smp_rmb（）; // 讀屏障

　　smp_wmb（）; //寫屏障

　　smp_mb（）； // 通用屏障

　　Blk：大內(nèi)核鎖

　　BKL（大內(nèi)核鎖）是一個(gè)全局自旋鎖，使用它主要是為了方便實(shí)現(xiàn)從Linux最初的SMP過(guò)度到細(xì)粒度加鎖機(jī)制。它終將退出歷史舞臺(tái)。

　　BKL的特性：

　　持有BKL的任務(wù)仍然可以睡眠 。因?yàn)楫?dāng)任務(wù)無(wú)法調(diào)度時(shí)，所加的鎖會(huì)自動(dòng)被拋棄；當(dāng)任務(wù)被調(diào)度時(shí)，鎖又會(huì)被重新獲得。當(dāng)然，并不是說(shuō)，當(dāng)任務(wù)持有BKL時(shí)，睡眠是安全的，緊急是可以這樣做，因?yàn)樗卟粫?huì)造成任務(wù)死鎖。

　　BKL是一種遞歸鎖。一個(gè)進(jìn)程可以多次請(qǐng)求一個(gè)鎖，并不會(huì)像自旋鎖那么產(chǎn)生死鎖。BKL可以在進(jìn)程上下文中。

　　BKL是有害的：

　　在內(nèi)核中不鼓勵(lì)使用BKL。一個(gè)執(zhí)行線程可以遞歸的請(qǐng)求鎖lock_kernel（），但是釋放鎖時(shí)也必須調(diào)用同樣次數(shù)的unlock_kernel（）操作，在最后一個(gè)解鎖操作完成之后，鎖才會(huì)被釋放。BKL在被持有時(shí)同樣會(huì)禁止內(nèi)核搶占。多數(shù)情況下，BKL更像是保護(hù)代碼而不是保護(hù)數(shù)據(jù)。

　　備注：?jiǎn)魏瞬豢蓳屨純?nèi)核 唯一的異步事件就是硬件中斷 ，所以想要同步即關(guān)閉中斷即可。對(duì)于單核可搶占和多核可搶占的 ，除了中斷 還有進(jìn)程調(diào)度（即優(yōu)先級(jí)高的進(jìn)程搶占cpu資源），而上述所有這些機(jī)制都是為了防止并發(fā)。