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內(nèi)核同步措施

    為了避免并發(fā)，防止競(jìng)爭(zhēng)。內(nèi)核提供了一組同步方法來(lái)提供對(duì)共享數(shù)據(jù)的保護(hù)。 我們的重點(diǎn)不是介紹這些方法的詳細(xì)用法，而是強(qiáng)調(diào)為什么使用這些方法和它們之間的差別。
    Linux 使用的同步機(jī)制可以說(shuō)從2.0到2.6以來(lái)不斷發(fā)展完善。從最初的原子操作，到后來(lái)的信號(hào)量，從大內(nèi)核鎖到今天的自旋鎖。這些同步機(jī)制的發(fā)展伴隨 Linux從單處理器到對(duì)稱(chēng)多處理器的過(guò)度；伴隨著從非搶占內(nèi)核到搶占內(nèi)核的過(guò)度。鎖機(jī)制越來(lái)越有效，也越來(lái)越復(fù)雜。
    目前來(lái)說(shuō)內(nèi)核中原子操作多用來(lái)做計(jì)數(shù)使用，其它情況最常用的是兩種鎖以及它們的變種:一個(gè)是自旋鎖，另一個(gè)是信號(hào)量。我們下面就來(lái)著重介紹一下這兩種鎖機(jī)制。


自旋鎖
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    自旋鎖是專(zhuān)為防止多處理器并發(fā)而引入的一種鎖，它在內(nèi)核中大量應(yīng)用于中斷處理等部分(對(duì)于單處理器來(lái)說(shuō)，防止中斷處理中的并發(fā)可簡(jiǎn)單采用關(guān)閉中斷的方式，不需要自旋鎖)。
    自旋鎖最多只能被一個(gè)內(nèi)核任務(wù)持有，如果一個(gè)內(nèi)核任務(wù)試圖請(qǐng)求一個(gè)已被爭(zhēng)用(已經(jīng)被持有)的自旋鎖，那么這個(gè)任務(wù)就會(huì)一直進(jìn)行忙循環(huán)——旋轉(zhuǎn)——等待鎖重新可用。要是鎖未被爭(zhēng)用，請(qǐng)求它的內(nèi)核任務(wù)便能立刻得到它并且繼續(xù)進(jìn)行。自旋鎖可以在任何時(shí)刻防止多于一個(gè)的內(nèi)核任務(wù)同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)，因此這種鎖可有效地避免多處理器上并發(fā)運(yùn)行的內(nèi)核任務(wù)競(jìng)爭(zhēng)共享資源。
    事實(shí)上，自旋鎖的初衷就是：在短期間內(nèi)進(jìn)行輕量級(jí)的鎖定。一個(gè)被爭(zhēng)用的自旋鎖使得請(qǐng)求它的線(xiàn)程在等待鎖重新可用的期間進(jìn)行自旋(特別浪費(fèi)處理器時(shí)間)，所以自旋鎖不應(yīng)該被持有時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。如果需要長(zhǎng)時(shí)間鎖定的話(huà), 最好使用信號(hào)量。
自旋鎖的基本形式如下：
    spin_lock(&mr_lock);
    //臨界區(qū)
    spin_unlock(&mr_lock);

    因?yàn)樽孕i在同一時(shí)刻只能被最多一個(gè)內(nèi)核任務(wù)持有，所以一個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)線(xiàn)程允許存在于臨界區(qū)中。這點(diǎn)很好地滿(mǎn)足了對(duì)稱(chēng)多處理機(jī)器需要的鎖定服務(wù)。在單處理器上，自旋鎖僅僅當(dāng)作一個(gè)設(shè)置內(nèi)核搶占的開(kāi)關(guān)。如果內(nèi)核搶占也不存在，那么自旋鎖會(huì)在編譯時(shí)被完全剔除出內(nèi)核。
    簡(jiǎn)單的說(shuō)，自旋鎖在內(nèi)核中主要用來(lái)防止多處理器中并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)臨界區(qū)，防止內(nèi)核搶占造成的競(jìng)爭(zhēng)。另外自旋鎖不允許任務(wù)睡眠(持有自旋鎖的任務(wù)睡眠會(huì)造成自死鎖——因?yàn)樗哂锌赡茉斐沙钟墟i的內(nèi)核任務(wù)被重新調(diào)度，而再次申請(qǐng)自己已持有的鎖)，它能夠在中斷上下文中使用。
    死鎖：假設(shè)有一個(gè)或多個(gè)內(nèi)核任務(wù)和一個(gè)或多個(gè)資源，每個(gè)內(nèi)核都在等待其中的一個(gè)資源，但所有的資源都已經(jīng)被占用了。這便會(huì)發(fā)生所有內(nèi)核任務(wù)都在相互等待，但它們永遠(yuǎn)不會(huì)釋放已經(jīng)占有的資源，于是任何內(nèi)核任務(wù)都無(wú)法獲得所需要的資源，無(wú)法繼續(xù)運(yùn)行，這便意味著死鎖發(fā)生了。自死瑣是說(shuō)自己占有了某個(gè)資源，然后自己又申請(qǐng)自己已占有的資源，顯然不可能再獲得該資源，因此就自縛手腳了。


信號(hào)量
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    Linux中的信號(hào)量是一種睡眠鎖。如果有一個(gè)任務(wù)試圖獲得一個(gè)已被持有的信號(hào)量時(shí)，信號(hào)量會(huì)將其推入等待隊(duì)列，然后讓其睡眠。這時(shí)處理器獲得自由去執(zhí)行其它代碼。當(dāng)持有信號(hào)量的進(jìn)程將信號(hào)量釋放后，在等待隊(duì)列中的一個(gè)任務(wù)將被喚醒，從而便可以獲得這個(gè)信號(hào)量。
    信號(hào)量的睡眠特性，使得信號(hào)量適用于鎖會(huì)被長(zhǎng)時(shí)間持有的情況；只能在進(jìn)程上下文中使用，因?yàn)橹袛嗌舷挛闹惺遣荒鼙徽{(diào)度的；另外當(dāng)代碼持有信號(hào)量時(shí)，不可以再持有自旋鎖。

信號(hào)量基本使用形式為：
static DECLARE_MUTEX(mr_sem);//聲明互斥信號(hào)量
if(down_interruptible(&mr_sem))
    //可被中斷的睡眠，當(dāng)信號(hào)來(lái)到，睡眠的任務(wù)被喚醒
    //臨界區(qū)
up(&mr_sem);


信號(hào)量和自旋鎖區(qū)別
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    雖然聽(tīng)起來(lái)兩者之間的使用條件復(fù)雜，其實(shí)在實(shí)際使用中信號(hào)量和自旋鎖并不易混淆。注意以下原則:
    如果代碼需要睡眠——這往往是發(fā)生在和用戶(hù)空間同步時(shí)——使用信號(hào)量是唯一的選擇。由于不受睡眠的限制，使用信號(hào)量通常來(lái)說(shuō)更加簡(jiǎn)單一些。如果需要在自旋鎖和信號(hào)量中作選擇，應(yīng)該取決于鎖被持有的時(shí)間長(zhǎng)短。理想情況是所有的鎖都應(yīng)該盡可能短的被持有，但是如果鎖的持有時(shí)間較長(zhǎng)的話(huà)，使用信號(hào)量是更好的選擇。另外，信號(hào)量不同于自旋鎖，它不會(huì)關(guān)閉內(nèi)核搶占，所以持有信號(hào)量的代碼可以被搶占。這意味者信號(hào)量不會(huì)對(duì)影響調(diào)度反應(yīng)時(shí)間帶來(lái)負(fù)面影響。


自旋鎖對(duì)信號(hào)量
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需求                     建議的加鎖方法

低開(kāi)銷(xiāo)加鎖               優(yōu)先使用自旋鎖
短期鎖定                 優(yōu)先使用自旋鎖
長(zhǎng)期加鎖                 優(yōu)先使用信號(hào)量
中斷上下文中加鎖          使用自旋鎖
持有鎖是需要睡眠、調(diào)度     使用信號(hào)量