Linux内核设计与实现——内核同步方法

主要内容

1. 原子操作
2. 自旋锁
3. 读写自旋锁
4. 信号量
5. 读写信号量
6. 互斥锁
7. 完成变量
8. 大内核锁
9. 顺序锁
10. 禁止抢占
11. 顺序和屏障

1. 原子操作

原子操作可以保证指令以原子的方式执行，不会被打断。
内核提供了对整数，对位的原子操作接口
特殊的atomic_t类型，32位int的低8位嵌入了一个锁

2. 自旋锁

原子操作只能用于临界区只有一个变量的情况，实际应用中，临界区的情况要复杂的多。
对于复杂的临界区，linux内核中也提供了多种同步方法，自旋锁就是其中一种。

自旋锁的特点就是当一个线程获取了锁之后，其他试图获取这个锁的线程一直在循环等待获取这个锁，直至锁重新可用。
由于线程实在一直循环的获取这个锁，所以会造成CPU处理时间的浪费，因此最好将自旋锁用于能很快处理完的临界区。

注意：

1. 自旋锁是不可递归的，递归的请求同一个自旋锁会自己锁死自己。
2. 线程获取自旋锁之前，要禁止当前处理器上的中断。（防止获取锁的线程和中断形成竞争条件，导致死锁）
   比如：当前线程获取自旋锁后，在临界区中被中断处理程序打断，中断处理程序正好也要获取这个锁，
   于是中断处理程序会等待当前线程释放锁，而当前线程也在等待中断执行完后再执行临界区和释放锁的代码。

中断处理下半部：

1. 下半部处理和进程上下文共享数据时，由于下半部的处理可以抢占进程上下文的代码，
   所以进程上下文在对共享数据加锁前要禁止下半部的执行，解锁时再允许下半部的执行。
2. 中断处理程序（上半部）和下半部处理共享数据时，由于中断处理（上半部）可以抢占下半部的执行，
   所以下半部在对共享数据加锁前要禁止中断处理（上半部），解锁时再允许中断的执行。
3. 同一种tasklet不能同时运行，所以同类tasklet中的共享数据不需要保护。
4. 不同类tasklet中共享数据时，其中一个tasklet获得锁后，不用禁止其他tasklet的执行，因为同一个处理器上不会有tasklet相互抢占的情况
5. 同类型或者非同类型的软中断在共享数据时，也不用禁止下半部，因为同一个处理器上不会有软中断互相抢占的情况

3. 读写自旋锁

用于生产者消费者类型的读写自旋锁

读锁之间共享，写锁之间互斥

4.信号量

信号量也是一种锁，和自旋锁不同的是，线程获取不到信号量的时候，不会像自旋锁一样循环的去试图获取锁，而是进入睡眠，直至有信号量释放出来时，才会唤醒睡眠的线程，进入临界区执行。

由于使用信号量时，线程会睡眠，所以等待的过程不会占用CPU时间。所以信号量适用于等待时间较长的临界区。
信号量消耗的CPU时间的地方在于使线程睡眠和唤醒线程，如果 （使线程睡眠 + 唤醒线程）的CPU时间 > 线程自旋等待的CPU时间，那么可以考虑使用自旋锁。

信号量有二值信号量和计数信号量2种，其中二值信号量比较常用。

1. 二值信号量表示信号量只有2个值，即0和1。信号量为1时，表示临界区可用，信号量为0时，表示临界区不可访问。
   二值信号量表面看和自旋锁很相似，区别在于争用自旋锁的线程会一直循环尝试获取自旋锁，
   而争用信号量的线程在信号量为0时，会进入睡眠，信号量可用时再被唤醒。
2. 计数信号量有个计数值，比如计数值为5，表示同时可以有5个线程访问临界区。

5. 读写信号量

读写信号量和信号量之间的关系 与 读写自旋锁和普通自旋锁之间的关系 差不多。

6. 互斥锁

互斥体也是一种可以睡眠的锁，相当于二值信号量，只是提供的API更加简单，使用的场景也更严格一些，如下所示：

1. mutex的计数值只能为1，也就是最多只允许一个线程访问临界区
2. 在同一个上下文中上锁和解锁
3. 不能递归的上锁和解锁
4. 持有个mutex时，进程不能退出
5. mutex不能在中断或者下半部中使用，也就是mutex只能在进程上下文中使用
6. mutex只能通过官方API来管理，不能自己写代码操作它

如何选择？

在面对互斥体和信号量的选择时，只要满足互斥体的使用场景就尽量优先使用互斥体。
在面对互斥体和自旋锁的选择时，参见下表：

需求	建议的加锁方法
低开销加锁	优先使用自旋锁
短期锁定	优先使用自旋锁
长期加锁	优先使用互斥体
中断上下文中加锁	使用自旋锁
持有锁需要睡眠	使用互斥体

7. 完成变量

如果一个任务要执行一些工作时，另一个任务就会在完成变量上等待。当这个任务完成工作后，会使用完成变量去唤醒在等待的任务。
实现机制类似于信号量。

8. 大内核锁

不再使用，只存在于一些遗留代码

9. 顺序锁

为读写共享数据提供了一种简单的实现机制。

前提到的读写自旋锁和读写信号量，在读锁被获取之后，写锁是不能再被获取的，也就是说，必须等所有的读锁释放后，才能对临界区进行写入操作。
顺序锁则与之不同，读锁被获取的情况下，写锁仍然可以被获取。
使用顺序锁的读操作在读之前和读之后都会检查顺序锁的序列值，如果前后值不符，则说明在读的过程中有写的操作发生，那么读操作会重新执行一次，直至读前后的序列值是一样的。

10. 禁止抢占

其实使用自旋锁已经可以防止内核抢占了，但是有时候仅仅需要禁止内核抢占，不需要像自旋锁那样连中断都屏蔽掉。

这时候就需要使用禁止内核抢占的方法了：

方法	描述
preempt_disable()	增加抢占计数值，从而禁止内核抢占
preempt_enable()	减少抢占计算，并当该值降为0时检查和执行被挂起的需调度的任务
preempt_enable_no_resched()	激活内核抢占但不再检查任何被挂起的需调度的任务
preempt_count()	返回抢占计数

11. 顺序和屏障

一种同步机制（又称栅栏，关卡），用于对一组线程进行协调，所有线程到达一个汇合点后再一起向前推进

总结

同步方法总结.png