Linux内核锁机制

Linux 并发与竞争

并发：Linux 系统是个多任务操作系统，会存在多个任务同时访问同一片内存空间，这些任务可能会相互覆盖这段内存中数据，造成内存数据混乱。

并发访问带来的问题就是竞争，竞争并发的执行单元对共享资源（硬件资源和软件上的全局变量）的访问而导致的竞争状态。因此我们需要对共享数据进行保护处理，防止多个任务同时访问它。

并发的原因一般有：

• 多线程并发访问：Linux 是多任务（线程）的系统，多线程访问是最基本的原因。
• 抢占式并发访问：Linux 内核支持抢占，调度程序可以在任意时刻抢占正在运行的线程，从而运行其他的线程。
• 中断程序并发访问：硬件中断的优先级很高。
• SMP（多核）核间并发访问：多个 CPU 核存在核间并发访问。

临界资源：多个进程访问的资源，共享数据段。

临界区：多个进程访问的代码段。

Linux 内核锁机制

Linux 内核提供解决竞争的手段有如下几个方法：原子操作、自旋锁、信号量、互斥体。

原子操作

原子操作是指不能再进一步分割的操作，一般原子操作用于整型变量或者位操作

例如 C 语言中的整型变量 a 进行赋值操作，C 语言编译转换为汇编指令，但 ARM 架构不支持直接对寄存器进行读写操作，需要借助寄存器来完成赋值操作。

// c语言
a = 3

// 可能转换成如下汇编指令
ldr r0, = 0x30000000
ldr r1, = 3
str r1, [r0]

假设现在线程 A 要向 a 变量写入 10 这个值，而线程 B 也要向 a 变量写入 20 这个值，理想执行顺序如下：

但实际情况可能如下：

为了防止出现该问题，我们需要保证这三行汇编指令作为一个整体运行。

Linux 内核定义了叫做 atomic_t 结构体来完成整型数据的原子操作，在使用中用原子变量代替整型变量。

//  include/linux/types.h 
// 32位
typedef struct {
    int counter;
} atomic_t;

// 64位
typedef struct {
	long long counter;
} atomic64_t;

原子操作的 API 函数：

原子位操作的 API 函数：原子位操作是直接对内存进行操作

eg：使用原子变量 lock，用来实现一次只能一个应用程序访问 LED。

• 驱动入口函数将 lock 值设置为 1
• 打开驱动设备时用 atomic_dec_and_test 函数将 lock 减 1，atomic_dec_and_test 函数返回值为真就表示 lock 当前值为 0，表示设备可用
• 若返回值为假，表示 lock 减 1 之后为负数，即有其他设备将正在使用 LED 使得 lock 为 0；需要将 lock 加 1，使得 lock 为 0 表示设备正在使用，并返回 -EBUSY

atomic_t lock;			/* 原子变量 */

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	/* 通过判断原子变量的值来检查LED有没有被别的应用使用 */
	if (!atomic_dec_and_test(&lock)) 
	{
		atomic_inc(&lock);	/* 小于0的话就加1,使其原子变量等于0 */
		return -EBUSY;				/* LED被使用，返回忙 */
	}
	......
}

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	/* 关闭驱动文件的时候释放原子变量 */
	atomic_inc(&lock);
	return 0;
}

static int __init led_init(void)
{
	/* 初始化原子变量 */
	atomic_set(&lock, 1);	/* 原子变量初始值为1 */
	......
	return 0;
}

static void __exit led_exit(void)
{
	......
}

自旋锁

原子操作只能对整型变量或者位进行保护，自旋锁可以对更多的资源进行保护。

如果自旋锁正在被线程 A 持有，而线程 B 想要获取自旋锁，那么线程 B 就会处于忙循环—旋转—等待状态，线程 B 不会进入休眠状态或者说去做其他的处理，直到线程 A 释放自旋锁，线程 B 才可以访问共享资源。

• 自旋锁适用于短时期的轻量级加锁，否则会降低系统性能。
• 被自旋锁保护的临界区一定不能调用睡眠和阻塞的函数，否则可能会导致死锁现象。
• 获取锁之前要禁止本地中断，防止死锁现象。如一个线程获取锁之后被中断打断，而这个中断要想申请该锁，则会发送死锁现象。

Linux 内核定义了 spinlock_t 结构体表示自旋锁：

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;

eg：使用自旋锁，用来实现一次只能一个应用程序访问 LED。

• dev_stats 表示设备使用状态，0：设备未使用； >0：设备已经被使用
• 驱动入口函数初始化自旋锁
• 打开驱动设备时调用 spin_lock_irqsave 函数获取自旋锁，保存本地中断状态
• 判断 dev_stats 是否大于 0，若设备已被使用，则调用 spin_unlock_irqrestore 函数解锁并返回 -EBUSY
• 若设备未被使用，dev_stats 加 1，表示设备开始使用了，接着调用 spin_unlock_irqrestore 函数解锁
• 退出驱动设备将 dev_stats 减 1，表示设备释放
• 这里的自旋锁的工作就是保护 dev_stats 变量不被其他程序访问修改，这里的 dev_stats 是该文件的全局变量，但实际上这个变量可能会被各种文件使用，因此需要用自旋锁可以用来保护其不被访问。

int dev_stats;			/* 设备使用状态，0，设备未使用;>0,设备已经被使用 */
spinlock_t lock;		/* 自旋锁 */

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	......
	spin_lock_irqsave(&lock, flags);	/* 上锁 */
	if (dev_stats) 
	{					/* 如果设备被使用了 */
		spin_unlock_irqrestore(&lock, flags);/* 解锁 */
		return -EBUSY;
	}
	dev_stats++;	/* 如果设备没有打开，那么就标记已经打开了 */
	spin_unlock_irqrestore(&lock, flags);/* 解锁 */

	return 0;
}

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	......
	/* 关闭驱动文件的时候将dev_stats减1 */
	spin_lock_irqsave(&lock, flags);	/* 上锁 */
	if (dev_stats) 
	{
		dev_stats--;
	}
	spin_unlock_irqrestore(&lock, flags);/* 解锁 */

	return 0;
}

static int __init led_init(void)
{
	/*  初始化自旋锁 */
	spin_lock_init(&lock);
	......
}

static void __exit led_exit(void)
{
	......
}

信号量

Linux 内核提供了信号量机制，信号量常常用于控制对共享资源的访问。它是一个计数器，常用于实现进程间的互斥与同步，而不是用于存储进程间通信数据。相比于自旋锁，信号量可以使线程进入休眠状态

• 因为信号量可以使等待资源线程进入休眠状态，因此适用于那些占用资源比较久的场合。
• 因此信号量不能用于中断中，因为信号量会引起休眠，中断不能休眠。
• 如果共享资源的持有时间比较短，那就不适合使用信号量了，因为频繁的休眠、切换线程引起的开销要远大于信号量带来的那点优势。

比如 A 与 B、C 合租了一套房子，这个房子只有一个厕所，一次只能一个人使用。某一天早上 A 去上厕所了，过了一会 B 也想用厕所，因为 A 在厕所里面，所以 B 只能等到 A 用来了才能进去。B 要么就一直在厕所门口等着，等 A 出来，这个时候就相当于自旋锁。B 也可以告诉 A，让 A 出来以后通知他一下，然后 B 继续回房间睡觉，这个时候相当于信号量。可以看出，使用信号量会提高处理器的使用效率，毕竟不用一直傻乎乎的在那里“自旋”等待。但是，信号量的开销要比自旋锁大，因为信号量使线程进入休眠状态以后会切换线程，切换线程就会有开销。

Linux 内核使用 semaphore 结构体表示信号量：

struct semaphore {
    raw_spinlock_t lock;
    unsigned int count;
    struct list_head wait_list;
};

eg：

• 信号量 sem 为1 的时候表示 LED 灯还没有被使用，如果应用程序 A 要使用 LED 灯，先调用 open 函数打开设备节点，这个时候会获取信号量 sem，获取成功以后 sem 的值减 1 变为 0。
• 如果此时应用程序 B 也要使用 LED 灯，调用 open 函数打开设备节点就会因为信号量无效(值为 0)而进入休眠状态。
• 当应用程序 A 运行完毕，调用 close 函数的时候就会释放信号量 sem，此时信号量 sem 的值就会加 1，变为 1。
• 信号量 sem 再次有效，表示其他应用程序可以使用 LED 灯了，此时在休眠状态的应用程序 B 就会获取到信号量 sem，获取成功以后就开始使用 LED 灯。

struct semaphore sem;	/* 信号量 */

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	......
	/* 获取信号量 */
	if (down_interruptible(&sem)) { /* 获取信号量,进入休眠状态的进程可以被信号打断 */
		return -ERESTARTSYS;
	}
#if 0
	down(&sem);		/* 不能被信号打断 */
#endif


	return 0;
}

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	......
	up(&sem);		/* 释放信号量，信号量值加1 */

	return 0;
}

static int __init led_init(void)
{
	/* 初始化信号量 值为1 即二值信号量 */
	sema_init(&sem, 1);
	......
}

static void __exit led_exit(void)
{
	......
}

互斥体

将信号量的值设置为 1 也可以使用信号量进行互斥，但是 Linux 内核提供了一个更专业的机制来进行互斥——互斥体（mutex）。互斥访问表示一次只有一个线程可以访问共享资源，不能递归申请互斥体。

struct mutex {
    /* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */
    atomic_t count;
    spinlock_t wait_lock;
};

• mutex 可以导致休眠，不能中断中使用 mutex，中断中只能使用自旋锁。
• 同信号量一样，mutex 保护的临界区可以调用引起阻塞的 API 函数。
• 一次只有一个线程可以持有 mutex，因此 mutex 的持有者必须自己释放 mutex，并且 mutex 不能递归上锁和解锁。

eg：过程跟使用二值信号量一样，信号量为二值信号量时就是互斥体，只不过互斥体是专门用来互斥的。

struct mutex lock;		/* 互斥体 */

static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	......
	/* 获取互斥体,可以被信号打断 */
	if (mutex_lock_interruptible(&lock)) {
		return -ERESTARTSYS;
	}
#if 0
	mutex_lock(&lock);	/* 不能被信号打断 */
#endif
	return 0;
}

static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	......
	/* 释放互斥锁 */
	mutex_unlock(&lock);

	return 0;
}

static int __init led_init(void)
{
	/* 初始化互斥体 */
	mutex_init(&lock);
	......
}

static void __exit led_exit(void)
{
	......
}