Linux内核同步与互斥机制介绍

在内核中，可能出现多个进程（通过系统调用进入内核模式）访问同一个对象、进程和硬中断访问同一个对象、进程和软中断访问同一个对象、多个处理器访问同一个对象等现象，我们需要使用互斥技术，确保在给定的时刻只有一个主体可以进入临界区访问对象。如果临界区的执行时间比较长或者可能睡眠，可以使用下面这些互斥技术。

（1）信号量，大多数情况下我们使用互斥信号量。

（2）读写信号量。

（3）互斥锁。

（4）实时互斥锁。

申请这些锁的时候，如果锁被其他进程占有，进程将会睡眠等待，代价很高。

如果临界区的执行时间很短，并且不会睡眠，那么使用上面的锁不太合适，因为进程切换的代价很高，可以使用下面这些互斥技术。

（1）原子变量。

（2）自旋锁。

（3）读写自旋锁，它是对自旋锁的改进，允许多个读者同时进入临界区。

（4）顺序锁，它是对读写自旋锁的改进，读者不会阻塞写者。

申请这些锁的时候，如果锁被其他进程占有，进程自旋等待（也称为忙等待）。

进程还可以使用下面的互斥技术。

（1）禁止内核抢占，防止被当前处理器上的其他进程抢占，实现和当前处理器上的其他进程互斥。

（2）禁止软中断，防止被当前处理器上的软中断抢占，实现和当前处理器上的软中断互斥。

（3）禁止硬中断，防止被当前处理器上的硬中断抢占，实现和当前处理器上的硬中断互斥。

在多处理器系统中，为了提高程序的性能，需要尽量减少处理器之间的互斥，使处理器可以最大限度地并行执行。从互斥信号量到读写信号量的改进，从自旋锁到读写自旋锁的改进，允许读者并行访问临界区，提高了并行性能，但是我们还可以进一步提高并行性能，使用下面这些避免使用锁的互斥技术。

（1）每处理器变量。

（2）每处理器计数器。

（3）内存屏障。

（4）读-复制更新（ Read-Copy Update， RCU）。

（5）可睡眠 RCU。

使用锁保护临界区，如果使用不当，可能出现死锁问题。内核里面的锁非常多，定位很难，为了方便定位死锁问题，内核提供了死锁检测工具 lockdep。