5. 读写锁

• 0 概述
• 1 读者信号量
• 3 小结

0 概述

在阅读本节前请思考如下小问题。

• 什么时候使用读者信号量，什么时候使用写者信号量，由什么来判断？
• 读写信号量使用的自旋等待机制(optimistic spinning) 是如何实现的？

上述介绍的信号量有一个明显的缺点 — 没有区分临界区的读写属性。读写锁通常允许多个线程并发地读(！！！)访问临界区，但是写访问只限制于一个线程。读写锁能有效地提高并发性，在多处理器系统中允许同时有多个读者访问共享资源，但写者是排他性的.

读写锁具有如下特性

• 允许多个读者同时进入临界区，但同一时刻写者不能进入。
• 同一时刻只允许一个写者进入临界区。
• 读者和写者不能同时进入临界区。

读写锁有两种，分别是spinlock类型和信号量类型。

spinlock类型的读写锁数据结构定义在include/linux/rwlock_types.h头文件中。

[include/linux/rwlock_types.h]
typedef struct {
	arch_rwlock_t raw_lock;
} rwlock_t;

[arch/arm/include/asm/spinlock_types.h]
typedef struct {
	u32 lock;
} arch_rwlock_t;

常用的函数如下：

[include/linux/rwlock.h]

和spinlock锁一样，读写锁有关闭中断和下半部的版本。spinlock类型的读写锁实现比较简单，本章重点关注信号量类型读写锁的实现。

1 读者信号量

读写信号量的定义如下：

[include/linux/rwsem.h]

• wait_lock是一个spinlock变量，用于实现对读写信号量数据结构中count成员的 原子操作和保护。
• count用于表示读写信号量的计数。以前读写信号量的实现用activity来表示，activity=0表示没有读者和写者，activity=-l表示有写者，activity>0表示有读者。现在count的计数方法己经发生了变化。
• wait_list链表用于管理所有在该信号量上睡眠的进程，没有成功获取锁的进程会睡眠在这个链表上。
• osq: MCS锁，在第4.4节中己详细介绍。
• owner: 当写者成功获取锁时，owner指向锁持有者的task_struct数据结构。

count成员的语义定义如下：

[]

上述的宏定义看起来比较复杂，翻译成十进制数值会清晰一些，本章以ARM32体系架构为例介绍读写信号量的实现。

3 小结

信号量缺点: 没有区分临界区的读写属性

读写锁特点:

• 允许多个读者同时进入临界区，但同一时刻写者不能进入。
• 同一时刻只允许一个写者进入临界区。
• 读者和写者不能同时进入临界区。

读写锁有两种，分别是spinlock类型和信号量类型。分别对应typedef struct rwlock_t和struct rw_semaphore.

读写锁在内核中应用广泛，特别是在内存管理中，全局的mm->mmap_sem读写信号量用于保护进程地址空间的一个读写信号量，还有反向映射RMAP系统中的anon_vma->rwsem，地址空间address_space数据结构中i_mmap_rwsem等。

再次总结读写锁的重要特性。

• down_read(): 如果一个进程持有了读者锁，那么允许继续申请多个读者锁，申请写者锁则要睡眠等待。
• down_write(): 如果一个进程持有了写者锁，那么第二个进程申请该写者锁要自旋等待(配置了CONFIG_RWSEM_SPIN_ON_OWNER选项不睡眠)，申请读者锁则要睡眠等待。
• up_write()/up_read():如果等待队列中第一个成员是写者，那么唤醒该写者，否则唤醒排在等待队列中最前面连续的几个读者。