在學(xué)習(xí) Linux? 的過(guò)程中，您也許接觸過(guò)并發(fā)（concurrency）、臨界段（critical section）和鎖定，但是如何在內(nèi)核中使用這些概念呢？本文討論了 2.6 版內(nèi)核中可用的鎖定機(jī)制，包括原子運(yùn)算符（atomic operator）、自旋鎖（spinlock）、讀/寫鎖（reader/writer lock）和內(nèi)核信號(hào)量（kernel semaphore）。 本文還探討了每種機(jī)制最適合應(yīng)用到哪些地方，以構(gòu)建安全高效的內(nèi)核代碼。

本文討論了 Linux 內(nèi)核中可用的大量同步或鎖定機(jī)制。這些機(jī)制為 2.6.23 版內(nèi)核的許多可用方法提供了應(yīng)用程序接口（API）。但是在深入學(xué)習(xí) API 之前，首先需要明白將要解決的問(wèn)題。

并發(fā)和鎖定

當(dāng)存在并發(fā)特性時(shí)，必須使用同步方法。當(dāng)在同一時(shí)間段出現(xiàn)兩個(gè)或更多進(jìn)程并且這些進(jìn)程彼此交互（例如，共享相同的資源）時(shí)，就存在并發(fā) 現(xiàn)象。

在單處理器（uniprocessor，UP）主機(jī)上可能發(fā)生并發(fā)，在這種主機(jī)中多個(gè)線程共享同一個(gè) CPU 并且搶占（preemption）創(chuàng)建競(jìng)態(tài)條件。搶占 通過(guò)臨時(shí)中斷一個(gè)線程以執(zhí)行另一個(gè)線程的方式來(lái)實(shí)現(xiàn) CPU 共享。競(jìng)態(tài)條件 發(fā)生在兩個(gè)或更多線程操縱一個(gè)共享數(shù)據(jù)項(xiàng)時(shí)，其結(jié)果取決于執(zhí)行的時(shí)間。在多處理器（MP）計(jì)算機(jī)中也存在并發(fā)，其中每個(gè)處理器中共享相同數(shù)據(jù)的線程同時(shí)執(zhí)行。注意在 MP 情況下存在真正的并行（parallelism），因?yàn)榫€程是同時(shí)執(zhí)行的。而在 UP 情形中，并行是通過(guò)搶占創(chuàng)建的。兩種模式中實(shí)現(xiàn)并發(fā)都較為困難。

Linux 內(nèi)核在兩種模式中都支持并發(fā)。內(nèi)核本身是動(dòng)態(tài)的，而且有許多創(chuàng)建競(jìng)態(tài)條件的方法。Linux 內(nèi)核也支持多處理（multiprocessing），稱為對(duì)稱多處理（SMP）。可以在本文后面的 參考資料 部分學(xué)到更多關(guān)于 SMP 的知識(shí)。

臨界段概念是為解決競(jìng)態(tài)條件問(wèn)題而產(chǎn)生的。一個(gè)臨界段 是一段不允許多路訪問(wèn)的受保護(hù)的代碼。這段代碼可以操縱共享數(shù)據(jù)或共享服務(wù)（例如硬件外圍設(shè)備）。臨界段操作時(shí)堅(jiān)持互斥鎖（mutual exclusion）原則（當(dāng)一個(gè)線程處于臨界段中時(shí)，其他所有線程都不能進(jìn)入臨界段）。

臨界段中需要解決的一個(gè)問(wèn)題是死鎖條件。考慮兩個(gè)獨(dú)立的臨界段，各自保護(hù)不同的資源。每個(gè)資源擁有一個(gè)鎖，在本例中稱為 A 和 B。假設(shè)有兩個(gè)線程需要訪問(wèn)這些資源，線程 X 獲取了鎖 A，線程 Y 獲取了鎖 B。當(dāng)這些鎖都被持有時(shí)，每個(gè)線程都試圖占有其他線程當(dāng)前持有的鎖（線程 X 想要鎖 B，線程 Y 想要鎖 A）。這時(shí)候線程就被死鎖了，因?yàn)樗鼈兌汲钟幸粋€(gè)鎖而且還想要其他鎖。一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案就是總是按相同次序獲取鎖，從而使其中一個(gè)線程得以完成。還需要其他解決方案檢測(cè)這種情形。表 1 定義了此處用到的一些重要的并發(fā)術(shù)語(yǔ)。

表 1. 并發(fā)中的重要定義

術(shù)語(yǔ)	定義
競(jìng)態(tài)條件	兩個(gè)或更多線程同時(shí)操作資源時(shí)將會(huì)導(dǎo)致不一致的結(jié)果。
臨界段	用于協(xié)調(diào)對(duì)共享資源的訪問(wèn)的代碼段。
互斥鎖	確保對(duì)共享資源進(jìn)行排他訪問(wèn)的軟件特性。
死鎖	由兩個(gè)或更多進(jìn)程和資源鎖導(dǎo)致的一種特殊情形，將會(huì)降低進(jìn)程的工作效率。

Linux 同步方法

如果您了解了一些基本理論并且明白了需要解決的問(wèn)題，接下來(lái)將學(xué)習(xí) Linux 支持并發(fā)和互斥鎖的各種方法。在以前，互斥鎖是通過(guò)禁用中斷來(lái)提供的，但是這種形式的鎖定效率比較低（現(xiàn)在在內(nèi)核中仍然存在這種用法）。這種方法也不能進(jìn)行擴(kuò)展，而且不能保證其他處理器上的互斥鎖。

在以下關(guān)于鎖定機(jī)制的討論中，我們首先看一下原子運(yùn)算符，它可以保護(hù)簡(jiǎn)單變量（計(jì)數(shù)器和位掩碼（bitmask））。然后介紹簡(jiǎn)單的自旋鎖和讀/寫鎖，它們構(gòu)成了一個(gè) SMP 架構(gòu)的忙等待鎖（busy-wait lock）覆蓋。最后，我們討論構(gòu)建在原子 API 上的內(nèi)核互斥鎖。

原子操作

Linux 中最簡(jiǎn)單的同步方法就是原子操作。原子 意味著臨界段被包含在 API 函數(shù)中。不需要額外的鎖定，因?yàn)?API 函數(shù)已經(jīng)包含了鎖定。由于 C 不能實(shí)現(xiàn)原子操作，因此 Linux 依靠底層架構(gòu)來(lái)提供這項(xiàng)功能。各種底層架構(gòu)存在很大差異，因此原子函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方法也各不相同。一些方法完全通過(guò)匯編語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，而另一些方法依靠 c 語(yǔ)言并且使用 local_irq_save 和 local_irq_restore 禁用中斷。

當(dāng)需要保護(hù)的數(shù)據(jù)非常簡(jiǎn)單時(shí)，例如一個(gè)計(jì)數(shù)器，原子運(yùn)算符是種理想的方法。盡管原理簡(jiǎn)單，原子 API 提供了許多針對(duì)不同情形的運(yùn)算符。下面是一個(gè)使用此 API 的示例。

要聲明一個(gè)原子變量（atomic variable），首先聲明一個(gè) atomic_t 類型的變量。這個(gè)結(jié)構(gòu)包含了單個(gè) int 元素。接下來(lái)，需確保您的原子變量使用 ATOMIC_INIT 符號(hào)常量進(jìn)行了初始化。 在清單 1 的情形中，原子計(jì)數(shù)器被設(shè)置為 0。也可以使用 atomic_set 在運(yùn)行時(shí)對(duì)原子變量進(jìn)行初始化。

清單 1. 創(chuàng)建和初始化原子變量

atomic_t my_counter ATOMIC_INIT(0); ... or ... atomic_set( &my_counter, 0 );

原子 API 支持一個(gè)涵蓋許多用例的富函數(shù)集。可以使用 atomic_read 讀取原子變量中的內(nèi)容，也可以使用 atomic_add 為一個(gè)變量添加指定值。最常用的操作是使用 atomic_inc 使變量遞增。也可用減號(hào)運(yùn)算符，它的作用與相加和遞增操作相反。清單 2. 演示了這些函數(shù)。

清單 2. 簡(jiǎn)單的算術(shù)原子函數(shù)

val = atomic_read( &my_counter ); atomic_add( 1, &my_counter ); atomic_inc( &my_counter ); atomic_sub( 1, &my_counter ); atomic_dec( &my_counter );

該 API 也支持許多其他常用用例，包括 operate-and-test 例程。這些例程允許對(duì)原子變量進(jìn)行操縱和測(cè)試（作為一個(gè)原子操作來(lái)執(zhí)行）。一個(gè)叫做 atomic_add_negative 的特殊函數(shù)被添加到原子變量中，然后當(dāng)結(jié)果值為負(fù)數(shù)時(shí)返回真（true）。這被內(nèi)核中一些依賴于架構(gòu)的信號(hào)量函數(shù)使用。

許多函數(shù)都不返回變量的值，但兩個(gè)函數(shù)除外。它們會(huì)返回結(jié)果值（ atomic_add_return 和 atomic_sub_return），如清單 3所示。

清單 3. Operate-and-test 原子函數(shù)

if (atomic_sub_and_test( 1, &my_counter )) { // my_counter is zero } if (atomic_dec_and_test( &my_counter )) { // my_counter is zero } if (atomic_inc_and_test( &my_counter )) { // my_counter is zero } if (atomic_add_negative( 1, &my_counter )) { // my_counter is less than zero } val = atomic_add_return( 1, &my_counter )); val = atomic_sub_return( 1, &my_counter ));

如果您的架構(gòu)支持 64 位長(zhǎng)類型（BITS_PER_LONG 是 64 的），那么可以使用 long_t atomic 操作。可以在 linux/include/asm-generic/atomic.h 中查看可用的長(zhǎng)操作（long operation）。

原子 API 還支持位掩碼（bitmask）操作。跟前面提到的算術(shù)操作不一樣，它只包含設(shè)置和清除操作。許多驅(qū)動(dòng)程序使用這些原子操作，特別是 SCSI。位掩碼原子操作的使用跟算術(shù)操作存在細(xì)微的差別，因?yàn)槠渲兄挥袃蓚€(gè)可用的操作（設(shè)置掩碼和清除掩碼）。使用這些操作前，需要提供一個(gè)值和將要進(jìn)行操作的位掩碼，如清單 4 所示。

清單 4. 位掩碼原子函數(shù)

unsigned long my_bitmask; atomic_clear_mask( 0, &my_bitmask ); atomic_set_mask( (1<<24), &my_bitmask );

自旋鎖

自旋鎖是使用忙等待鎖來(lái)確保互斥鎖的一種特殊方法。如果鎖可用，則獲取鎖，執(zhí)行互斥鎖動(dòng)作，然后釋放鎖。如果鎖不可用，線程將忙等待該鎖，直到其可用為止。忙等待看起來(lái)效率低下，但它實(shí)際上比將線程休眠然后當(dāng)鎖可用時(shí)將其喚醒要快得多。

自旋鎖只在 SMP 系統(tǒng)中才有用，但是因?yàn)槟拇a最終將會(huì)在 SMP 系統(tǒng)上運(yùn)行，將它們添加到 UP 系統(tǒng)是個(gè)明智的做法。

自旋鎖有兩種可用的形式：完全鎖（full lock）和讀寫鎖。 首先看一下完全鎖。

首先通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的聲明創(chuàng)建一個(gè)新的自旋鎖。這可以通過(guò)調(diào)用 spin_lock_init 進(jìn)行初始化。清單 5 中顯示的每個(gè)變量都會(huì)實(shí)現(xiàn)相同的結(jié)果。

清單 5. 創(chuàng)建和初始化自旋鎖

spinlock_t my_spinlock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
            ... or ...
            DEFINE_SPINLOCK( my_spinlock );
            ... or ...
            spin_lock_init( &my_spinlock );

定義了自旋鎖之后，就可以使用大量的鎖定變量了。每個(gè)變量用于不同的上下文。

清單 6 中顯示了 spin_lock 和 spin_unlock 變量。這是一個(gè)最簡(jiǎn)單的變量，它不會(huì)執(zhí)行中斷禁用，但是包含全部的內(nèi)存壁壘（memory barrier）。這個(gè)變量假定中斷處理程序和該鎖之間沒(méi)有交互。

清單 6. 自旋鎖 lock 和 unlock 函數(shù)

spin_lock( &my_spinlock );
            // critical section
            spin_unlock( &my_spinlock );

接下來(lái)是 irqsave 和 irqrestore 對(duì)，如清單 7 所示。spin_lock_irqsave 函數(shù)需要自旋鎖，并且在本地處理器（在 SMP 情形中）上禁用中斷。spin_unlock_irqrestore 函數(shù)釋放自旋鎖，并且（通過(guò) flags 參數(shù)）恢復(fù)中斷。

清單 7. 自旋鎖變量，其中禁用了本地 CPU 中斷

spin_lock_irqsave( &my_spinlock, flags );
            // critical section
            spin_unlock_irqrestore( &my_spinlock, flags );

spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore 的一個(gè)不太安全的變體是 spin_lock_irq/spin_unlock_irq。 我建議不要使用此變體，因?yàn)樗鼤?huì)假設(shè)中斷狀態(tài)。

最后，如果內(nèi)核線程通過(guò) bottom half 方式共享數(shù)據(jù)，那么可以使用自旋鎖的另一個(gè)變體。bottom half 方法可以將設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中的工作延遲到中斷處理后執(zhí)行。這種自旋鎖禁用了本地 CPU 上的軟中斷。這可以阻止 softirq、tasklet 和 bottom half 在本地 CPU 上運(yùn)行。這個(gè)變體如清單 8 所示。

清單 8. 自旋鎖函數(shù)實(shí)現(xiàn) bottom-half 交互

spin_lock_bh( &my_spinlock );
            // critical section
            spin_unlock_bh( &my_spinlock );

讀/寫鎖

在許多情形下，對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)是由大量的讀和少量的寫操作來(lái)完成的（讀取數(shù)據(jù)比寫入數(shù)據(jù)更常見(jiàn)）。讀/寫鎖的創(chuàng)建就是為了支持這種模型。這個(gè)模型有趣的地方在于允許多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)相同數(shù)據(jù)，但同一時(shí)刻只允許一個(gè)線程寫入數(shù)據(jù)。如果執(zhí)行寫操作的線程持有此鎖，則臨界段不能由其他線程讀取。如果一個(gè)執(zhí)行讀操作的線程持有此鎖，那么多個(gè)讀線程都可以進(jìn)入臨界段。清單 9 演示了這個(gè)模型。

清單 9. 讀/寫自旋鎖函數(shù)

rwlock_t my_rwlock; rwlock_init( &my_rwlock ); write_lock( &my_rwlock ); // critical section -- can read and write write_unlock( &my_rwlock ); read_lock( &my_rwlock ); // critical section -- can read only read_unlock( &my_rwlock );

根據(jù)對(duì)鎖的需求，還針對(duì) bottom half 和中斷請(qǐng)求（IRQ）對(duì)讀/寫自旋鎖進(jìn)行了修改。顯然，如果您使用的是原版的讀/寫鎖，那么按照標(biāo)準(zhǔn)自旋鎖的用法使用這個(gè)自旋鎖，而不區(qū)分讀線程和寫線程。

內(nèi)核互斥鎖

在內(nèi)核中可以使用互斥鎖來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)量行為。內(nèi)核互斥鎖是在原子 API 之上實(shí)現(xiàn)的，但這對(duì)于內(nèi)核用戶是不可見(jiàn)的。互斥鎖很簡(jiǎn)單，但是有一些規(guī)則必須牢記。同一時(shí)間只能有一個(gè)任務(wù)持有互斥鎖，而且只有這個(gè)任務(wù)可以對(duì)互斥鎖進(jìn)行解鎖。互斥鎖不能進(jìn)行遞歸鎖定或解鎖，并且互斥鎖可能不能用于交互上下文。但是互斥鎖比當(dāng)前的內(nèi)核信號(hào)量選項(xiàng)更快，并且更加緊湊，因此如果它們滿足您的需求，那么它們將是您明智的選擇。

可以通過(guò) DEFINE_MUTEX 宏使用一個(gè)操作創(chuàng)建和初始化互斥鎖。這將創(chuàng)建一個(gè)新的互斥鎖并初始化其結(jié)構(gòu)。可以在 ./linux/include/linux/mutex.h 中查看該實(shí)現(xiàn)。

DEFINE_MUTEX( my_mutex );

互斥鎖 API 提供了 5 個(gè)函數(shù)：其中 3 個(gè)用于鎖定，一個(gè)用于解鎖，另一個(gè)用于測(cè)試互斥鎖。首先看一下鎖定函數(shù)。在需要立即鎖定以及希望在互斥鎖不可用時(shí)掌握控制的情形下，可以使用第一個(gè)函數(shù) mutex_trylock。該函數(shù)如清單 10 所示。

清單 10. 嘗試使用 mutex_trylock 獲得互斥鎖

ret = mutex_trylock( &my_mutex ); if (ret != 0) { // Got the lock! } else { // Did not get the lock }

如果想等待這個(gè)鎖，可以調(diào)用 mutex_lock。這個(gè)調(diào)用在互斥鎖可用時(shí)返回，否則，在互斥鎖鎖可用之前它將休眠。無(wú)論在哪種情形中，當(dāng)控制被返回時(shí)，調(diào)用者將持有互斥鎖。最后，當(dāng)調(diào)用者休眠時(shí)使用 mutex_lock_interruptible。在這種情況下，該函數(shù)可能返回 -EINTR。清單 11 中顯示了這兩種調(diào)用。

清單 11. 鎖定一個(gè)可能處于休眠狀態(tài)的互斥鎖

mutex_lock( &my_mutex ); // Lock is now held by the caller. if (mutex_lock_interruptible( &my_mutex ) != 0) { // Interrupted by a signal, no mutex held }

當(dāng)一個(gè)互斥鎖被鎖定后，它必須被解鎖。這是由 mutex_unlock 函數(shù)來(lái)完成的。這個(gè)函數(shù)不能從中斷上下文調(diào)用。最后，可以通過(guò)調(diào)用 mutex_is_locked 檢查互斥鎖的狀態(tài)。這個(gè)調(diào)用實(shí)際上編譯成一個(gè)內(nèi)聯(lián)函數(shù)。如果互斥鎖被持有（鎖定），那么就會(huì)返回 1；否則，返回 0。清單 12 演示了這些函數(shù)。

清單 12. 用 mutex_is_locked 測(cè)試互斥鎖鎖

mutex_unlock( &my_mutex ); if (mutex_is_locked( &my_mutex ) == 0) { // Mutex is unlocked }

互斥鎖 API 存在著自身的局限性，因?yàn)樗腔谠?API 的。但是其效率比較高，如果能滿足你的需要，還是可以使用的。

大內(nèi)核鎖（Big kernel lock）

最后看一下大內(nèi)核鎖（BLK）。它在內(nèi)核中的用途越來(lái)越小，但是仍然有一些保留下來(lái)的用法。BKL 使多處理器 Linux 成為可能，但是細(xì)粒度（finer-grained）鎖正在慢慢取代 BKL。BKL 通過(guò) lock_kernel 和 unlock_kernel 函數(shù)提供。要獲得更多信息，請(qǐng)查看 ./linux/lib/kernel_lock.c。

結(jié)束語(yǔ)

Linux 性能非凡，其鎖定方法也一樣。原子鎖不僅提供了一種鎖定機(jī)制，同時(shí)也提供了算術(shù)或 bitwise 操作。自旋鎖提供了一種鎖定機(jī)制（主要應(yīng)用于 SMP），而且讀/寫自旋鎖允許多個(gè)讀線程且僅有一個(gè)寫線程獲得給定的鎖。最后，互斥鎖是一種新的鎖定機(jī)制，提供了一種構(gòu)建在原子之上的簡(jiǎn)單 API。不管你需要什么，Linux 都會(huì)提供一種鎖定方案保護(hù)您的數(shù)據(jù)。