在學習 Linux? 的過程中，您也許接觸過并發（concurrency）、臨界段（critical section）和鎖定，但是如何在內核中使用這些概念呢？本文討論了 2.6 版內核中可用的鎖定機制，包括原子運算符（atomic operator）、自旋鎖（spinlock）、讀/寫鎖（reader/writer lock）和內核信號量（kernel semaphore）。 本文還探討了每種機制最適合應用到哪些地方，以構建安全高效的內核代碼。
本文討論了 Linux 內核中可用的大量同步或鎖定機制。這些機制為 2.6.23 版內核的許多可用方法提供了應用程序接口（API）。但是在深入學習 API 之前，首先需要明白將要解決的問題。
并發和鎖定
當存在并發特性時，必須使用同步方法。當在同一時間段出現兩個或更多進程并且這些進程彼此交互（例如，共享相同的資源）時，就存在并發 現象。
在單處理器（uniprocessor，UP）主機上可能發生并發，在這種主機中多個線程共享同一個 CPU 并且搶占（preemption）創建競態條件。搶占 通過臨時中斷一個線程以執行另一個線程的方式來實現 CPU 共享。競態條件 發生在兩個或更多線程操縱一個共享數據項時，其結果取決于執行的時間。在多處理器（MP）計算機中也存在并發，其中每個處理器中共享相同數據的線程同時執行。注意在 MP 情況下存在真正的并行（parallelism），因為線程是同時執行的。而在 UP 情形中，并行是通過搶占創建的。兩種模式中實現并發都較為困難。
Linux 內核在兩種模式中都支持并發。內核本身是動態的，而且有許多創建競態條件的方法。Linux 內核也支持多處理（multiprocessing），稱為對稱多處理（SMP）。可以在本文后面的 參考資料 部分學到更多關于 SMP 的知識。
臨界段概念是為解決競態條件問題而產生的。一個臨界段 是一段不允許多路訪問的受保護的代碼。這段代碼可以操縱共享數據或共享服務（例如硬件外圍設備）。臨界段操作時堅持互斥鎖（mutual exclusion）原則（當一個線程處于臨界段中時，其他所有線程都不能進入臨界段）。
臨界段中需要解決的一個問題是死鎖條件。考慮兩個獨立的臨界段，各自保護不同的資源。每個資源擁有一個鎖，在本例中稱為 A 和 B。假設有兩個線程需要訪問這些資源，線程 X 獲取了鎖 A，線程 Y 獲取了鎖 B。當這些鎖都被持有時，每個線程都試圖占有其他線程當前持有的鎖（線程 X 想要鎖 B，線程 Y 想要鎖 A）。這時候線程就被死鎖了，因為它們都持有一個鎖而且還想要其他鎖。一個簡單的解決方案就是總是按相同次序獲取鎖，從而使其中一個線程得以完成。還需要其他解決方案檢測這種情形。表 1 定義了此處用到的一些重要的并發術語。
表 1. 并發中的重要定義
| 術語 |
定義 |
| 競態條件 |
兩個或更多線程同時操作資源時將會導致不一致的結果。 |
| 臨界段 |
用于協調對共享資源的訪問的代碼段。 |
| 互斥鎖 |
確保對共享資源進行排他訪問的軟件特性。 |
| 死鎖 |
由兩個或更多進程和資源鎖導致的一種特殊情形，將會降低進程的工作效率。 |
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題，接下來將學習 Linux 支持并發和互斥鎖的各種方法。在以前，互斥鎖是通過禁用中斷來提供的，但是這種形式的鎖定效率比較低（現在在內核中仍然存在這種用法）。這種方法也不能進行擴展，而且不能保證其他處理器上的互斥鎖。
在以下關于鎖定機制的討論中，我們首先看一下原子運算符，它可以保護簡單變量（計數器和位掩碼（bitmask））。然后介紹簡單的自旋鎖和讀/寫鎖，它們構成了一個 SMP 架構的忙等待鎖（busy-wait lock）覆蓋。最后，我們討論構建在原子 API 上的內核互斥鎖。
原子操作
Linux 中最簡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 函數中。不需要額外的鎖定，因為 API 函數已經包含了鎖定。由于 C 不能實現原子操作，因此 Linux 依靠底層架構來提供這項功能。各種底層架構存在很大差異，因此原子函數的實現方法也各不相同。一些方法完全通過匯編語言來實現，而另一些方法依靠 c 語言并且使用 local_irq_save 和 local_irq_restore 禁用中斷。
當需要保護的數據非常簡單時，例如一個計數器，原子運算符是種理想的方法。盡管原理簡單，原子 API 提供了許多針對不同情形的運算符。下面是一個使用此 API 的示例。
要聲明一個原子變量（atomic variable），首先聲明一個 atomic_t 類型的變量。這個結構包含了單個 int 元素。接下來，需確保您的原子變量使用 ATOMIC_INIT 符號常量進行了初始化。 在清單 1 的情形中，原子計數器被設置為 0。也可以使用 atomic_set 在運行時對原子變量進行初始化。
清單 1. 創建和初始化原子變量
atomic_t my_counter ATOMIC_INIT(0);
... or ...
atomic_set( &my_counter, 0 );
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原子 API 支持一個涵蓋許多用例的富函數集。可以使用 atomic_read 讀取原子變量中的內容，也可以使用 atomic_add 為一個變量添加指定值。最常用的操作是使用 atomic_inc 使變量遞增。也可用減號運算符，它的作用與相加和遞增操作相反。清單 2. 演示了這些函數。
清單 2. 簡單的算術原子函數
val = atomic_read( &my_counter );
atomic_add( 1, &my_counter );
atomic_inc( &my_counter );
atomic_sub( 1, &my_counter );
atomic_dec( &my_counter );
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該 API 也支持許多其他常用用例，包括 operate-and-test 例程。這些例程允許對原子變量進行操縱和測試（作為一個原子操作來執行）。一個叫做 atomic_add_negative 的特殊函數被添加到原子變量中，然后當結果值為負數時返回真（true）。這被內核中一些依賴于架構的信號量函數使用。
許多函數都不返回變量的值，但兩個函數除外。它們會返回結果值（ atomic_add_return 和 atomic_sub_return），如清單 3所示。
清單 3. Operate-and-test 原子函數
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 ));
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如果您的架構支持 64 位長類型（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 中查看可用的長操作（long operation）。
原子 API 還支持位掩碼（bitmask）操作。跟前面提到的算術操作不一樣，它只包含設置和清除操作。許多驅動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操作存在細微的差別，因為其中只有兩個可用的操作（設置掩碼和清除掩碼）。使用這些操作前，需要提供一個值和將要進行操作的位掩碼，如清單 4 所示。
清單 4. 位掩碼原子函數
unsigned long my_bitmask;
atomic_clear_mask( 0, &my_bitmask );
atomic_set_mask( (1<<24), &my_bitmask );
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自旋鎖
自旋鎖是使用忙等待鎖來確保互斥鎖的一種特殊方法。如果鎖可用，則獲取鎖，執行互斥鎖動作，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。忙等待看起來效率低下，但它實際上比將線程休眠然后當鎖可用時將其喚醒要快得多。
自旋鎖只在 SMP 系統中才有用，但是因為您的代碼最終將會在 SMP 系統上運行，將它們添加到 UP 系統是個明智的做法。
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。
首先通過一個簡單的聲明創建一個新的自旋鎖。這可以通過調用 spin_lock_init 進行初始化。清單 5 中顯示的每個變量都會實現相同的結果。
清單 5. 創建和初始化自旋鎖
spinlock_t my_spinlock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
... or ...
DEFINE_SPINLOCK( my_spinlock );
... or ...
spin_lock_init( &my_spinlock );
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定義了自旋鎖之后，就可以使用大量的鎖定變量了。每個變量用于不同的上下文。
清單 6 中顯示了 spin_lock 和 spin_unlock 變量。這是一個最簡單的變量，它不會執行中斷禁用，但是包含全部的內存壁壘（memory barrier）。這個變量假定中斷處理程序和該鎖之間沒有交互。
清單 6. 自旋鎖 lock 和 unlock 函數
spin_lock( &my_spinlock );
// critical section
spin_unlock( &my_spinlock );
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接下來是 irqsave 和 irqrestore 對，如清單 7 所示。spin_lock_irqsave 函數需要自旋鎖，并且在本地處理器（在 SMP 情形中）上禁用中斷。spin_unlock_irqrestore 函數釋放自旋鎖，并且（通過 flags 參數）恢復中斷。
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 );
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spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore 的一個不太安全的變體是 spin_lock_irq/spin_unlock_irq。 我建議不要使用此變體，因為它會假設中斷狀態。
最后，如果內核線程通過 bottom half 方式共享數據，那么可以使用自旋鎖的另一個變體。bottom half 方法可以將設備驅動程序中的工作延遲到中斷處理后執行。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 上運行。這個變體如清單 8 所示。
清單 8. 自旋鎖函數實現 bottom-half 交互
spin_lock_bh( &my_spinlock );
// critical section
spin_unlock_bh( &my_spinlock );
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讀/寫鎖
在許多情形下，對數據的訪問是由大量的讀和少量的寫操作來完成的（讀取數據比寫入數據更常見）。讀/寫鎖的創建就是為了支持這種模型。這個模型有趣的地方在于允許多個線程同時訪問相同數據，但同一時刻只允許一個線程寫入數據。如果執行寫操作的線程持有此鎖，則臨界段不能由其他線程讀取。如果一個執行讀操作的線程持有此鎖，那么多個讀線程都可以進入臨界段。清單 9 演示了這個模型。
清單 9. 讀/寫自旋鎖函數
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 );
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根據對鎖的需求，還針對 bottom half 和中斷請求（IRQ）對讀/寫自旋鎖進行了修改。顯然，如果您使用的是原版的讀/寫鎖，那么按照標準自旋鎖的用法使用這個自旋鎖，而不區分讀線程和寫線程。
內核互斥鎖
在內核中可以使用互斥鎖來實現信號量行為。內核互斥鎖是在原子 API 之上實現的，但這對于內核用戶是不可見的。互斥鎖很簡單，但是有一些規則必須牢記。同一時間只能有一個任務持有互斥鎖，而且只有這個任務可以對互斥鎖進行解鎖。互斥鎖不能進行遞歸鎖定或解鎖，并且互斥鎖可能不能用于交互上下文。但是互斥鎖比當前的內核信號量選項更快，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 DEFINE_MUTEX 宏使用一個操作創建和初始化互斥鎖。這將創建一個新的互斥鎖并初始化其結構。可以在 ./linux/include/linux/mutex.h 中查看該實現。
DEFINE_MUTEX( my_mutex );
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互斥鎖 API 提供了 5 個函數：其中 3 個用于鎖定，一個用于解鎖，另一個用于測試互斥鎖。首先看一下鎖定函數。在需要立即鎖定以及希望在互斥鎖不可用時掌握控制的情形下，可以使用第一個函數 mutex_trylock。該函數如清單 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
}
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如果想等待這個鎖，可以調用 mutex_lock。這個調用在互斥鎖可用時返回，否則，在互斥鎖鎖可用之前它將休眠。無論在哪種情形中，當控制被返回時，調用者將持有互斥鎖。最后，當調用者休眠時使用 mutex_lock_interruptible。在這種情況下，該函數可能返回 -EINTR。清單 11 中顯示了這兩種調用。
清單 11. 鎖定一個可能處于休眠狀態的互斥鎖
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
}
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當一個互斥鎖被鎖定后，它必須被解鎖。這是由 mutex_unlock 函數來完成的。這個函數不能從中斷上下文調用。最后，可以通過調用 mutex_is_locked 檢查互斥鎖的狀態。這個調用實際上編譯成一個內聯函數。如果互斥鎖被持有（鎖定），那么就會返回 1；否則，返回 0。清單 12 演示了這些函數。
清單 12. 用 mutex_is_locked 測試互斥鎖鎖
mutex_unlock( &my_mutex );
if (mutex_is_locked( &my_mutex ) == 0) {
// Mutex is unlocked
}
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互斥鎖 API 存在著自身的局限性，因為它是基于原子 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。
大內核鎖（Big kernel lock）
最后看一下大內核鎖（BLK）。它在內核中的用途越來越小，但是仍然有一些保留下來的用法。BKL 使多處理器 Linux 成為可能，但是細粒度（finer-grained）鎖正在慢慢取代 BKL。BKL 通過 lock_kernel 和 unlock_kernel 函數提供。要獲得更多信息，請查看 ./linux/lib/kernel_lock.c。
結束語
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制，同時也提供了算術或 bitwise 操作。自旋鎖提供了一種鎖定機制（主要應用于 SMP），而且讀/寫自旋鎖允許多個讀線程且僅有一個寫線程獲得給定的鎖。最后，互斥鎖是一種新的鎖定機制，提供了一種構建在原子之上的簡單 API。不管你需要什么，Linux 都會提供一種鎖定方案保護您的數據。