內(nèi)核中提供了多種方法來防止競爭條件，理解了這些方法的使用場景有助于我們在編寫內(nèi)核代碼時選用合適的同步方法，

從而即可保證代碼中臨界區(qū)的安全，同時也讓性能的損失降到最低。

主要內(nèi)容：

• 原子操作
• 自旋鎖
• 讀寫自旋鎖
• 信號量
• 讀寫信號量
• 互斥體
• 完成變量
• 大內(nèi)核鎖
• 順序鎖
• 禁止搶占
• 順序和屏障
• 總結(jié)

1. 原子操作

原子操作是由編譯器來保證的，保證一個線程對數(shù)據(jù)的操作不會被其他線程打斷。

原子操作有2類：

1. 原子整數(shù)操作，有32位和64位。頭文件分別為<asm/atomic.h>和<asm/atomic64.h>
2. 原子位操作。頭文件 <asm/bitops.h>

原子操作的api很簡單，參見相應(yīng)的頭文件即可。

原子操作頭文件與具體的體系結(jié)構(gòu)有關(guān)，比如x86架構(gòu)的相關(guān)頭文件在 arch/x86/include/asm/*.h

2. 自旋鎖

原子操作只能用于臨界區(qū)只有一個變量的情況，實際應(yīng)用中，臨界區(qū)的情況要復(fù)雜的多。

對于復(fù)雜的臨界區(qū)，linux內(nèi)核中也提供了多種同步方法，自旋鎖就是其中一種。

自旋鎖的特點就是當一個線程獲取了鎖之后，其他試圖獲取這個鎖的線程一直在循環(huán)等待獲取這個鎖，直至鎖重新可用。

由于線程實在一直循環(huán)的獲取這個鎖，所以會造成CPU處理時間的浪費，因此最好將自旋鎖用于能很快處理完的臨界區(qū)。

自旋鎖的實現(xiàn)與體系結(jié)構(gòu)有關(guān)，所以相應(yīng)的頭文件 <asm/spinlock.h> 位于相關(guān)體系結(jié)構(gòu)的代碼中。

自旋鎖使用時有2點需要注意：

1. 自旋鎖是不可遞歸的，遞歸的請求同一個自旋鎖會自己鎖死自己。
2. 線程獲取自旋鎖之前，要禁止當前處理器上的中斷。（防止獲取鎖的線程和中斷形成競爭條件）
     比如：當前線程獲取自旋鎖后，在臨界區(qū)中被中斷處理程序打斷，中斷處理程序正好也要獲取這個鎖，
     于是中斷處理程序會等待當前線程釋放鎖，而當前線程也在等待中斷執(zhí)行完后再執(zhí)行臨界區(qū)和釋放鎖的代碼。

中斷處理下半部的操作中使用自旋鎖尤其需要小心：

1. 下半部處理和進程上下文共享數(shù)據(jù)時，由于下半部的處理可以搶占進程上下文的代碼，
     所以進程上下文在對共享數(shù)據(jù)加鎖前要禁止下半部的執(zhí)行，解鎖時再允許下半部的執(zhí)行。
2. 中斷處理程序（上半部）和下半部處理共享數(shù)據(jù)時，由于中斷處理（上半部）可以搶占下半部的執(zhí)行，
     所以下半部在對共享數(shù)據(jù)加鎖前要禁止中斷處理（上半部），解鎖時再允許中斷的執(zhí)行。
3. 同一種tasklet不能同時運行，所以同類tasklet中的共享數(shù)據(jù)不需要保護。
4. 不同類tasklet中共享數(shù)據(jù)時，其中一個tasklet獲得鎖后，不用禁止其他tasklet的執(zhí)行，因為同一個處理器上不會有tasklet相互搶占的情況
5. 同類型或者非同類型的軟中斷在共享數(shù)據(jù)時，也不用禁止下半部，因為同一個處理器上不會有軟中斷互相搶占的情況

自旋鎖方法列表如下：

3. 讀寫自旋鎖

1. 讀寫自旋鎖除了和普通自旋鎖一樣有自旋特性以外，還有以下特點：
   讀鎖之間是共享的
     即一個線程持有了讀鎖之后，其他線程也可以以讀的方式持有這個鎖
2. 寫鎖之間是互斥的
     即一個線程持有了寫鎖之后，其他線程不能以讀或者寫的方式持有這個鎖
3. 讀寫鎖之間是互斥的
     即一個線程持有了讀鎖之后，其他線程不能以寫的方式持有這個鎖

注：讀寫鎖要分別使用，不能混合使用，否則會造成死鎖。

正常的使用方法：

DEFINE_RWLOCK(mr_rwlock);

read_lock(&mr_rwlock);
/* 臨界區(qū)(只讀).... */
read_unlock(&mr_rwlock);

write_lock(&mr_lock);
/* 臨界區(qū)(讀寫)... */
write_unlock(&mr_lock);

混合使用時：

/* 獲取一個讀鎖 */
read_lock(&mr_lock);
/* 在獲取寫鎖的時候，由于讀寫鎖之間是互斥的，
 * 所以寫鎖會一直自旋等待讀鎖的釋放，
 * 而此時讀鎖也在等待寫鎖獲取完成后繼續(xù)下面的代碼。
 * 因此造成了讀寫鎖的互相等待，形成了死鎖。
 */
write_lock(&mr_lock);

讀寫鎖相關(guān)文件參照 各個體系結(jié)構(gòu)中的 <asm/rwlock.h>

讀寫鎖的相關(guān)函數(shù)如下：

4. 信號量

信號量也是一種鎖，和自旋鎖不同的是，線程獲取不到信號量的時候，不會像自旋鎖一樣循環(huán)的去試圖獲取鎖，

而是進入睡眠，直至有信號量釋放出來時，才會喚醒睡眠的線程，進入臨界區(qū)執(zhí)行。

由于使用信號量時，線程會睡眠，所以等待的過程不會占用CPU時間。所以信號量適用于等待時間較長的臨界區(qū)。

信號量消耗的CPU時間的地方在于使線程睡眠和喚醒線程，

如果 （使線程睡眠 + 喚醒線程）的CPU時間 > 線程自旋等待的CPU時間，那么可以考慮使用自旋鎖。

信號量有二值信號量和計數(shù)信號量2種，其中二值信號量比較常用。

二值信號量表示信號量只有2個值，即0和1。信號量為1時，表示臨界區(qū)可用，信號量為0時，表示臨界區(qū)不可訪問。

二值信號量表面看和自旋鎖很相似，區(qū)別在于爭用自旋鎖的線程會一直循環(huán)嘗試獲取自旋鎖，

而爭用信號量的線程在信號量為0時，會進入睡眠，信號量可用時再被喚醒。

計數(shù)信號量有個計數(shù)值，比如計數(shù)值為5，表示同時可以有5個線程訪問臨界區(qū)。

信號量相關(guān)函數(shù)參照: <linux/semaphore.h> 實現(xiàn)方法參照：kernel/semaphore.c

使用信號量的方法如下：

/* 定義并聲明一個信號量，名字為mr_sem，用于信號量計數(shù) */
static DECLARE_MUTEX(mr_sem);

/* 試圖獲取信號量....， 信號未獲取成功時，進入睡眠
 * 此時，線程狀態(tài)為 TASK_INTERRUPTIBLE
 */
down_interruptible(&mr_sem);
/* 這里也可以用：
 * down(&mr_sem);
 * 這個方法把線程狀態(tài)置為 TASK_UNINTERRUPTIBLE 后睡眠
 */

/* 臨界區(qū) ... */

/* 釋放給定的信號量 */
up(&mr_sem);

一般用的比較多的是down_interruptible()方法，因為以 TASK_UNINTERRUPTIBLE 方式睡眠無法被信號喚醒。

對于 TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 補充說明一下：

• TASK_INTERRUPTIBLE - 可打斷睡眠，可以接受信號并被喚醒，也可以在等待條件全部達成后被顯式喚醒(比如wake_up()函數(shù))。
• TASK_UNINTERRUPTIBLE - 不可打斷睡眠，只能在等待條件全部達成后被顯式喚醒(比如wake_up()函數(shù))。

信號量方法如下：

信號量結(jié)構(gòu)體具體如下：

/* Please don't access any members of this structure directly */
struct semaphore {
    spinlock_t        lock;
    unsigned int        count;
    struct list_head    wait_list;
};

可以發(fā)現(xiàn)信號量結(jié)構(gòu)體中有個自旋鎖，這個自旋鎖的作用是保證信號量的down和up等操作不會被中斷處理程序打斷。

5. 讀寫信號量

讀寫信號量和信號量之間的關(guān)系 與 讀寫自旋鎖和普通自旋鎖之間的關(guān)系 差不多。

讀寫信號量都是二值信號量，即計數(shù)值最大為1，增加讀者時，計數(shù)器不變，增加寫者，計數(shù)器才減一。

也就是說讀寫信號量保護的臨界區(qū)，最多只有一個寫者，但可以有多個讀者。

讀寫信號量的相關(guān)內(nèi)容參見：<asm/rwsem.h> 具體實現(xiàn)與硬件體系結(jié)構(gòu)有關(guān)。

6. 互斥體

互斥體也是一種可以睡眠的鎖，相當于二值信號量，只是提供的API更加簡單，使用的場景也更嚴格一些，如下所示：

1. mutex的計數(shù)值只能為1，也就是最多只允許一個線程訪問臨界區(qū)
2. 在同一個上下文中上鎖和解鎖
3. 不能遞歸的上鎖和解鎖
4. 持有個mutex時，進程不能退出
5. mutex不能在中斷或者下半部中使用，也就是mutex只能在進程上下文中使用
6. mutex只能通過官方API來管理，不能自己寫代碼操作它

在面對互斥體和信號量的選擇時，只要滿足互斥體的使用場景就盡量優(yōu)先使用互斥體。

在面對互斥體和自旋鎖的選擇時，參見下表：

互斥體頭文件：<linux/mutex.h>

常用的互斥體方法如下：

7. 完成變量

完成變量的機制類似于信號量，

比如一個線程A進入臨界區(qū)之后，另一個線程B會在完成變量上等待，線程A完成了任務(wù)出了臨界區(qū)之后，使用完成變量來喚醒線程B。

完成變量的頭文件：<linux/completion.h>

完成變量的API也很簡單：

使用完成變量的例子可以參考：kernel/sched.c 和 kernel/fork.c

一般在2個任務(wù)需要簡單同步的情況下，可以考慮使用完成變量。

8. 大內(nèi)核鎖

大內(nèi)核鎖已經(jīng)不再使用，只存在與一些遺留的代碼中。

9. 順序鎖

順序鎖為讀寫共享數(shù)據(jù)提供了一種簡單的實現(xiàn)機制。

之前提到的讀寫自旋鎖和讀寫信號量，在讀鎖被獲取之后，寫鎖是不能再被獲取的，

也就是說，必須等所有的讀鎖釋放后，才能對臨界區(qū)進行寫入操作。

順序鎖則與之不同，讀鎖被獲取的情況下，寫鎖仍然可以被獲取。

使用順序鎖的讀操作在讀之前和讀之后都會檢查順序鎖的序列值，如果前后值不符，則說明在讀的過程中有寫的操作發(fā)生，

那么讀操作會重新執(zhí)行一次，直至讀前后的序列值是一樣的。

do
{
    /* 讀之前獲取 順序鎖foo 的序列值 */
    seq = read_seqbegin(&foo);
...
} while(read_seqretry(&foo, seq)); /* 順序鎖foo此時的序列值!=seq 時返回true，反之返回false */

順序鎖優(yōu)先保證寫鎖的可用，所以適用于那些讀者很多，寫者很少，且寫優(yōu)于讀的場景。

順序鎖的使用例子可以參考：kernel/timer.c和kernel/time/tick-common.c文件

10. 禁止搶占

其實使用自旋鎖已經(jīng)可以防止內(nèi)核搶占了，但是有時候僅僅需要禁止內(nèi)核搶占，不需要像自旋鎖那樣連中斷都屏蔽掉。

這時候就需要使用禁止內(nèi)核搶占的方法了：

這里的preempt_disable()和preempt_enable()是可以嵌套調(diào)用的，disable和enable的次數(shù)最終應(yīng)該是一樣的。

禁止搶占的頭文件參見：<linux/preempt.h>

11. 順序和屏障

對于一段代碼，編譯器或者處理器在編譯和執(zhí)行時可能會對執(zhí)行順序進行一些優(yōu)化，從而使得代碼的執(zhí)行順序和我們寫的代碼有些區(qū)別。

一般情況下，這沒有什么問題，但是在并發(fā)條件下，可能會出現(xiàn)取得的值與預(yù)期不一致的情況

比如下面的代碼：

/* 
 * 線程A和線程B共享的變量 a和b
 * 初始值 a=1, b=2
 */
int a = 1, b = 2;

/*
 * 假設(shè)線程A 中對 a和b的操作
 */
void Thread_A()
{
    a = 5;
    b = 4;
}

/*
 * 假設(shè)線程B 中對 a和b的操作
 */
void Thread_B()
{
    if (b == 4)
        printf("a = %d\n", a);
}

由于編譯器或者處理器的優(yōu)化，線程A中的賦值順序可能是b先賦值后，a才被賦值。

所以如果線程A中 b=4; 執(zhí)行完，a=5; 還沒有執(zhí)行的時候，線程B開始執(zhí)行，那么線程B打印的是a的初始值1。

這就與我們預(yù)期的不一致了，我們預(yù)期的是a在b之前賦值，所以線程B要么不打印內(nèi)容，如果打印的話，a的值應(yīng)該是5。

在某些并發(fā)情況下，為了保證代碼的執(zhí)行順序，引入了一系列屏障方法來阻止編譯器和處理器的優(yōu)化。

為了使得上面的小例子能正確執(zhí)行，用上表中的函數(shù)修改線程A的函數(shù)即可：

/*
 * 假設(shè)線程A 中對 a和b的操作
 */
void Thread_A()
{
    a = 5;
    mb(); 
    /* 
     * mb()保證在對b進行載入和存儲值(值就是4)的操作之前
     * mb()代碼之前的所有載入和存儲值的操作全部完成(即 a = 5;已經(jīng)完成)
     * 只要保證a的賦值在b的賦值之前進行，那么線程B的執(zhí)行結(jié)果就和預(yù)期一樣了
     */
    b = 4;
}

12. 總結(jié)

本節(jié)討論了大約11種內(nèi)核同步方法，除了大內(nèi)核鎖已經(jīng)不再推薦使用之外，其他各種鎖都有其適用的場景。

了解了各種同步方法的適用場景，才能正確的使用它們，使我們的代碼在安全的保障下達到最優(yōu)的性能。

同步的目的就是為了保障數(shù)據(jù)的安全，其實就是保障各個線程之間共享資源的安全，下面根據(jù)共享資源的情況來討論一下10種同步方法的選擇。

10種同步方法在圖中分別用藍色框標出。