Linux内核同步机制之信号量与锁

Linux内核同步控制方法有很多，信号量、锁、原子量、RCU等等，不同的实现方法应用于不同的环境来提高操作系统效率。首先，看看我们最熟悉的两种机制——信号量、锁。

一、信号量

首先还是看看内核中是怎么实现的，内核中用struct semaphore数据结构表示信号量（<linux/semphone.h>中）：

struct semaphore {  
    spinlock_t      lock;  
    unsigned int        count;  
    struct list_head    wait_list;  
}; 
其中lock为自旋锁，放到这里是为了保护count的原子增减，无符号数count为我们竞争的信号量（PV操作的核心），wait_list为等待此信号量的进程链表。

初始化：

对于这一类工具类使用较多的机制，包括用于同步互斥的信号量、锁、completion，用于进程等待的等待队列、用于Per-CPU的变量等等，内核都提供了两种初始化方法，静态与动态方式。

1)      静态初始化，实现代码如下：

#define __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, n)                \   
{                                   \  
    .lock       = __SPIN_LOCK_UNLOCKED((name).lock),        \  
    .count      = n,                        \  
    .wait_list  = LIST_HEAD_INIT((name).wait_list),     \  
}  
  
#define DECLARE_MUTEX(name) \   
    struct semaphore name = __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, 1) 
可以看到，这种初始化使我们在编程的时候直接用一条语句DECLARE_MUTEX(name);就可以完成申明与初始化，另一种下面要说的动态初始化方式申请与初始化分离。

2)      我们看到，静态初始化时信号量的count值初始化为1，当我们需要初始化为0时需要用动态初始化方法。

#define init_MUTEX(sem)     sema_init(sem, 1)   
#define init_MUTEX_LOCKED(sem)  sema_init(sem, 0)   
  
static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val)  
{  
    static struct lock_class_key __key;  
    *sem = (struct semaphore) __SEMAPHORE_INITIALIZER(*sem, val);  
    lockdep_init_map(&sem->lock.dep_map, "semaphore->lock", &__key, 0);  
} 

操作：

获取信号量

/*获取信号量*/  
void down(struct semaphore *sem)  
{  
    unsigned long flags;  
  
    spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);  
    if (likely(sem->count > 0))  
        sem->count--;  
    else  
        __down(sem);  
    spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);  
} 
__down(sem)最终由下面函数实现

static inline int __sched __down_common(struct semaphore *sem, long state,  
                                long timeout)  
{  
    struct task_struct *task = current;  
    struct semaphore_waiter waiter;  
  
    list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);  
    waiter.task = task;  
    waiter.up = 0;  
  
    for (;;) {  
        if (signal_pending_state(state, task))  
            goto interrupted;  
        if (timeout <= 0)  
            goto timed_out;  
        __set_task_state(task, state);  
        spin_unlock_irq(&sem->lock);  
        timeout = schedule_timeout(timeout);  
        spin_lock_irq(&sem->lock);  
        if (waiter.up)  
            return 0;  
    }  
  
 timed_out:  
    list_del(&waiter.list);  
    return -ETIME;  
  
 interrupted:  
    list_del(&waiter.list);  
    return -EINTR;  
} 
释放信号量

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);  
} 
 
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);  
} 
从上面代码可以看出，信号量的获取和释放很简单，不外乎修改count值、加入或移除等待队列元素，其中count值的修改需要自旋锁的支持。还有几个down和up类函数，实现类似，使用时可以看看源码不同之处。

运用：

用信号量我们实现两个线程的同步，我们用kernel_thread创建两个线程，对变量num的值进行同步访问，代码如下，文件为semaphore.c

#include <linux/init.h>   
#include <linux/kernel.h>   
#include <linux/module.h>   
  
#include <linux/sched.h>   
#include <linux/semaphore.h>   
#define N 15   
  
MODULE_LICENSE("GPL");  
  
static unsigned count=0,num=0;  
struct semaphore sem_2;  
DECLARE_MUTEX(sem_1);/*init 1*/  
  
  
int ThreadFunc1(void *context)  
{  
    char *tmp=(char*)context;  
    while(num<N){  
        down(&sem_1);     
        printk("<2>" "%s\tcount:%d\n",tmp,count++);  
        num++;  
        up(&sem_2);  
    }  
    return 0;  
}  
int ThreadFunc2(void *context)  
{  
    char *tmp=(char*)context;  
    while(num<N){  
        down(&sem_2);  
        printk("<2>" "%s\tcount:%d\n",tmp,count--);  
        num++;  
        up(&sem_1);  
    }  
    return 0;  
}  
  
static __init int semaphore_init(void)  
{  
    char *ch1="this is first thread!";  
    char *ch2="this is second thread!";  
    init_MUTEX_LOCKED(&sem_2);/*init 0*/  
  
    kernel_thread(ThreadFunc1,ch1,CLONE_KERNEL);  
    kernel_thread(ThreadFunc2,ch2,CLONE_KERNEL);  
  
    return 0;  
}  
  
static void semaphore_exit(void)  
{  
}  
  
module_init(semaphore_init);  
module_exit(semaphore_exit);  
  
MODULE_AUTHOR("Mike Feng"); 
实现结果如下。

 

可以看到线程1和线程2交替运行，实现了同步。

读、写信号量：

类似操作系统中学习的读者、写者问题，内核中，许多任务可以划分为两种不同的工作类型：一些任务只需要读取受保护的数据结构，而其他的则必须做出修改。循序多个并发的读者是可能的，只要他们之中没有哪个要做出修改。Linux内核为这种情形提供了一种特殊的信号量类型——读、写信号量。struct rw_semaphore作为其数据结构，初始化和信号量类似，down_read、up_read等类函数实现信号量控制，这些函数实现比较复杂，用到了读写锁（将在后面分析），有兴趣可以看看，。我们运用读、写信号实现哪个古老的读者、写者同步问题：

文件down_read.c

#include <linux/init.h>   
#include <linux/module.h>   
#include <linux/kernel.h>   
  
#include <linux/sched.h>   
#include <linux/rwsem.h>   
#include <linux/semaphore.h>   
  
MODULE_LICENSE("GPL");  
  
static int count=0,num=0,readcount=0,writer=0;  
struct rw_semaphore rw_write;  
struct rw_semaphore rw_read;  
struct semaphore sm_1;  
  
  
int ThreadRead(void *context)  
{  
    down_read(&rw_write);  
    down(&sm_1);  
    count++;  
    readcount++;  
    up(&sm_1);  
      
    printk("<2>" "Read Thread %d\tcount:%d\n",readcount,count);  
    msleep(10);   
    printk("<2>" "Read Thread Over!\n",readcount);  
  
    up_read(&rw_write);  
  
    return 0;  
}  
int ThreadWrite(void *context)  
{  
    down_write(&rw_write);  
    writer++;  
      
    printk("<2>" "Write Thread %d\tcount:%d\n",writer,--count);  
    msleep(10);   
    printk("<2>" "Write Thread %d Over!\n",writer);  
      
    up_write(&rw_write);  
  
    return count;  
}  
  
static __init int rwsem_init(void)  
{  
    static int i,iread=0,iwrite=0;  
    init_rwsem(&rw_read);  
    init_rwsem(&rw_write);  
    init_MUTEX(&sm_1);  
  
    for(i=0;i<2;i++){  
        kernel_thread(ThreadWrite,&i,CLONE_KERNEL);  
        iwrite++;  
    }  
  
    for(i=0;i<2;i++){  
        kernel_thread(ThreadRead,&i,CLONE_KERNEL);  
        iread++;  
    }  
    for(i=2;i<5;i++){  
        kernel_thread(ThreadRead,&i,CLONE_KERNEL);  
        iread++;  
    }  
    for(i=2;i<5;i++){  
        kernel_thread(ThreadWrite,&i,CLONE_KERNEL);  
        iwrite++;  
    }  
  
    return 0;  
}  
  
static void rwsem_exit(void)  
{  
}  
  
module_init(rwsem_init);  
module_exit(rwsem_exit);  
  
MODULE_AUTHOR("Mike Feng"); 
实验结果：

 

从代码上看，实现起来很简单。

二、自旋锁

读写信号量基于自旋锁实现。内核中为如下结构：

typedef struct {  
    raw_spinlock_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   
} spinlock_t; 
其中raw_lock为实现的原子量控制。下面我们就信号量和自旋锁实现我们上面用读写信号量实现的读者、写者问题：spinlock.c文件

#include <linux/init.h>   
#include <linux/module.h>   
#include <linux/kernel.h>   
  
#include <linux/sched.h>   
#include <linux/semaphore.h>   
#include <linux/spinlock.h>   
  
MODULE_LICENSE("GPL");  
  
static int count=0,num=0,readcount=0,writer=0,writecount=0;  
struct semaphore sem_w,sem_r;  
  
spinlock_t lock1=SPIN_LOCK_UNLOCKED;  
  
int ThreadRead(void *context)  
{  
    down(&sem_r);  
    spin_lock(&lock1);  
    readcount++;  
    if(readcount==1)  
        down(&sem_w);  
    spin_unlock(&lock1);  
    up(&sem_r);  
  
    printk("<2>" "Reader %d is reading!\n",readcount);  
    msleep(10);  
    printk("<2>" "Reader is over!\n");  
  
    spin_lock(&lock1);  
    readcount--;  
    if(readcount==0)  
        up(&sem_w);  
    spin_unlock(&lock1);  
  
    return count;  
}  
  
int ThreadWrite(void *context)  
{  
    spin_lock(&lock1);  
    writecount++;  
    if(writecount==1)  
        down(&sem_r);  
    spin_unlock(&lock1);  
      
    down(&sem_w);  
    writer++;  
    printk("<2>" "Writer %d is writting!\n",writer);  
    msleep(10);  
    printk("<2>" "Writer %d is over!\n",writer);  
    up(&sem_w);  
  
    spin_lock(&lock1);  
    writecount--;  
    if(writecount==0)  
        up(&sem_r);  
    spin_unlock(&lock1);  
  
    return count;  
}  
  
static __init int rwsem_init(void)  
{  
    static int i;  
    init_MUTEX(&sem_r);  
    init_MUTEX(&sem_w);  
    for(i=0;i<2;i++){  
        kernel_thread(ThreadWrite,&i,CLONE_VM);  
    }  
  
    for(i=0;i<2;i++){  
        kernel_thread(ThreadRead,&i,CLONE_KERNEL);  
    }  
    for(i=2;i<5;i++){  
        kernel_thread(ThreadRead,&i,CLONE_KERNEL);  
    }  
    for(i=2;i<5;i++){  
        kernel_thread(ThreadWrite,&i,CLONE_KERNEL);  
    }  
  
    return 0;  
}  
  
static void rwsem_exit(void)  
{  
  
}  
  
module_init(rwsem_init);  
module_exit(rwsem_exit);  
  
MODULE_AUTHOR("Mike Feng"); 
运行结果：

 

从结果上看，和我们上面的结果略有差别，因为我们这里实现的是写者优先算法。

读写锁：

读写信号量的实现是基于读写锁的。可以想到他们的应用都差不多。自旋锁、读写锁中不能有睡眠，我们就不做实验验证了，当你在锁之间添加msleep函数时，会造成系统崩溃。

顺序锁：

顺序锁和读写锁非常相似，只是他为写者赋予了较高的优先级：事实上，即使在读者正在读的时候也允许写者继续运行。这种策略的好处是写者永远不会等待（除非另外一个写者正在写），缺点是有些时候读者不得不反复读相同数据直到他获得有效的副本。

最后，为完整起见，附上代码的Makefile文件：

obj-m+=semaphore.o down_read.o spinlock.o   
CURRENT:=$(shell pwd)  
KERNEL_PATH:=/usr/src/kernels/$(shell uname -r)  
  
all:  
    make -C $(KERNEL_PATH) M=$(CURRENT) modules  
clean:  
    make -C $(KERNEL_PATH) M=$(CURRENT) clean 

本篇文章来源于 Linux公社网站(www.linuxidc.com)  原文链接：http://www.linuxidc.com/Linux/2012-03/57667p5.htm