在學(xué)習(xí) Linux? 的過程中，您也許接觸過并發(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)核中可用的鎖定機制，包括原子運算符（atomic operator）、自旋鎖（spinlock）、讀/寫鎖（reader/writer lock）和內(nèi)核信號量（kernel semaphore）。 本文還探討了每種機制最適合應(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制。這些機制為 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題。
并發(fā)和鎖定
當存在并發(fā)特性時，必須使用同步方法。當在同一時間段出現(xiàn)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(fā) 現(xiàn)象。
在單處理器（uniprocessor，UP）主機上可能發(fā)生并發(fā)，在這種主機中多個線程共享同一個 CPU 并且搶占（preemption）創(chuàng)建競態(tài)條件。搶占 通過臨時中斷一個線程以執(zhí)行另一個線程的方式來實現(xiàn) CPU 共享。競態(tài)條件 發(fā)生在兩個或更多線程操縱一個共享數(shù)據(jù)項時，其結(jié)果取決于執(zhí)行的時間。在多處理器（MP）計算機中也存在并發(fā)，其中每個處理器中共享相同數(shù)據(jù)的線程同時執(zhí)行。注意在 MP 情況下存在真正的并行（parallelism），因為線程是同時執(zhí)行的。而在 UP 情形中，并行是通過搶占創(chuàng)建的。兩種模式中實現(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)核本身是動態(tài)的，而且有許多創(chuàng)建競態(tài)條件的方法。Linux 內(nèi)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(xué)到更多關(guān)于 SMP 的知識。
臨界段概念是為解決競態(tài)條件問題而產(chǎn)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(shù)據(jù)或共享服務(wù)（例如硬件外圍設(shè)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(shè)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(fā)術(shù)語。
表 1. 并發(fā)中的重要定義
| 術(shù)語 |
定義 |
| 競態(tài)條件 |
兩個或更多線程同時操作資源時將會導(dǎo)致不一致的結(jié)果。 |
| 臨界段 |
用于協(xié)調(diào)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(dǎo)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(xué)習(xí) Linux 支持并發(fā)和互斥鎖的各種方法。在以前，互斥鎖是通過禁用中斷來提供的，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）。這種方法也不能進行擴展，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(shù)器和位掩碼（bitmask））。然后介紹簡單的自旋鎖和讀/寫鎖，它們構(gòu)成了一個 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，因為 API 函數(shù)已經(jīng)包含了鎖定。由于 C 不能實現(xiàn)原子操作，因此 Linux 依靠底層架構(gòu)來提供這項功能。各種底層架構(gòu)存在很大差異，因此原子函數(shù)的實現(xiàn)方法也各不相同。一些方法完全通過匯編語言來實現(xiàn)，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(shù)據(jù)非常簡單時，例如一個計數(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)器被設(shè)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(chuàng)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(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(shù)。
清單 2. 簡單的算術(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 );
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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(zhí)行）。一個叫做 atomic_add_negative 的特殊函數(shù)被添加到原子變量中，然后當結(jié)果值為負數(shù)時返回真（true）。這被內(nèi)核中一些依賴于架構(gòu)的信號量函數(shù)使用。
許多函數(shù)都不返回變量的值，但兩個函數(shù)除外。它們會返回結(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 ));
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如果您的架構(gòu)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(shù)操作不一樣，它只包含設(shè)置和清除操作。許多驅(qū)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(shù)操作存在細微的差別，因為其中只有兩個可用的操作（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(shù)
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(zhí)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(tǒng)中才有用，但是因為您的代碼最終將會在 SMP 系統(tǒng)上運行，將它們添加到 UP 系統(tǒng)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(chuàng)建一個新的自旋鎖。這可以通過調(diào)用 spin_lock_init 進行初始化。清單 5 中顯示的每個變量都會實現(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 );
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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(zhí)行中斷禁用，但是包含全部的內(nèi)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(shù)
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(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 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 );
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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(shè)中斷狀態(tài)。
最后，如果內(nèi)核線程通過 bottom half 方式共享數(shù)據(jù)，那么可以使用自旋鎖的另一個變體。bottom half 方法可以將設(shè)備驅(qū)動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 上運行。這個變體如清單 8 所示。
清單 8. 自旋鎖函數(shù)實現(xiàn) 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(shù)據(jù)的訪問是由大量的讀和少量的寫操作來完成的（讀取數(shù)據(jù)比寫入數(shù)據(jù)更常見）。讀/寫鎖的創(chuàng)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(shù)據(jù)，但同一時刻只允許一個線程寫入數(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。如果一個執(zhí)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(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 );
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根據(jù)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(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實現(xiàn)信號量行為。內(nèi)核互斥鎖是在原子 API 之上實現(xiàn)的，但這對于內(nèi)核用戶是不可見的。互斥鎖很簡單，但是有一些規(guī)則必須牢記。同一時間只能有一個任務(wù)持有互斥鎖，而且只有這個任務(wù)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(nèi)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(chuàng)建和初始化互斥鎖。這將創(chuàng)建一個新的互斥鎖并初始化其結(jié)構(gòu)。可以在 ./linux/include/linux/mutex.h 中查看該實現(xiàn)。
DEFINE_MUTEX( my_mutex );
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互斥鎖 API 提供了 5 個函數(shù)：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(shù)。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(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
}
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如果想等待這個鎖，可以調(diào)用 mutex_lock。這個調(diào)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(diào)用者將持有互斥鎖。最后，當調(diào)用者休眠時使用 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
}
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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(shù)來完成的。這個函數(shù)不能從中斷上下文調(diào)用。最后，可以通過調(diào)用 mutex_is_locked 檢查互斥鎖的狀態(tài)。這個調(diào)用實際上編譯成一個內(nèi)聯(lián)函數(shù)。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(shù)。
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(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(shù)提供。要獲得更多信息，請查看 ./linux/lib/kernel_lock.c。
結(jié)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(shù)或 bitwise 操作。自旋鎖提供了一種鎖定機制（主要應(yīng)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(gòu)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(shù)據(jù)。