轉(zhuǎn)自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_6d7fa49b01014q7p.html

多人會問這樣的問題，Linux內(nèi)核中提供了各式各樣的同步鎖機制到底有何作用？追根到底其實是由于操作系統(tǒng)中存在多進程對共享資源的并發(fā)訪問，從而引起了進程間的競態(tài)。這其中包括了我們所熟知的SMP系統(tǒng)，多核間的相互競爭資源，單CPU之間的相互競爭，中斷和進程間的相互搶占等諸多問題。

通常情況下，如圖1所示，對于一段程序，我們的理想是總是美好的，希望它能夠這樣執(zhí)行：進程1先對臨界區(qū)完成操作，然后進程2再去操作臨界區(qū)。但是往往現(xiàn)實總是殘酷的，進程1在執(zhí)行過程中，進程2很可能在此插入一腳，導致兩個進程同時對臨界區(qū)進行讀寫訪問，讀是沒有問題，但寫的話問題就大了。這樣的話，得到的結(jié)果往往不是我們想要的。

?

圖1? 一個簡單的例子

因此，我們需要一些解決方法，在Linux內(nèi)核中它提供了如下幾種鎖機制，供用戶在針對不同情況分別或配合使用，包括：原子操作、自旋鎖、內(nèi)存屏障、讀寫自旋鎖、順序鎖、信號量、讀寫信號量、完成量、RCU機制、BKL(大內(nèi)核鎖)等等，下面筆者將分五篇博文一一討論這些鎖機制。另外，本文所涉及的關(guān)于Linux內(nèi)核源碼采用版本為：Linux 3.3.1。OK，讓我們首先討論有關(guān)原子操作和自旋鎖的相關(guān)內(nèi)容吧。

一、原子操作

所謂的原子操作即是保證指令以原子的方式執(zhí)行，它在執(zhí)行過程中不被打斷。它包括了原子整數(shù)操作和原子位操作，在內(nèi)核中分別定義于include\linux\types.h和arch\x86\include\asm\bitops.h。通常了解一個東西，我們是先了解它怎么用的，因此，我們先來看看內(nèi)核提供給用戶的一些接口函數(shù)。對于整數(shù)原子操作函數(shù)，如下圖1.1所示，下述有關(guān)加法的操作在內(nèi)核中均有相應的減法操作。

?

圖1.1 ???? 內(nèi)核中的整數(shù)原子操作函數(shù)

如圖1.2展示的是內(nèi)核中提供的一些主要位原子操作函數(shù)。同時內(nèi)核還提供了一組與上述操作對應的非原子位操作函數(shù)，名字前多兩下劃線。由于不保證原子性，因此速度可能執(zhí)行更快。

?

圖1.2 ???? 內(nèi)核中的位原子操作函數(shù)

下面筆者展示一個關(guān)于原子操作的具體例子，請注意加粗部分的內(nèi)容，它的作用是實現(xiàn)了設(shè)備只能被一個進程打開。配合注釋的內(nèi)容，應該不難理解，如圖1.3所示。

?

圖1.3 ???? 原子操作示例程序

下面給出筆者在討論關(guān)于原子操作的認為的一些比較重要的內(nèi)容：1、原子操作在不同體系架構(gòu)實現(xiàn)的方法不同，基本采用匯編實現(xiàn)；2、上述的整數(shù)原子函數(shù)集僅針對32位，內(nèi)核中關(guān)于64位有另一套函數(shù)。3、對于SMP系統(tǒng)，內(nèi)核還提供了local_t數(shù)據(jù)類型，實現(xiàn)對單個CPU的整數(shù)原子操作，接口函數(shù)僅將atomic_替換成local_即可，具體的定義可參見arch/x86/include/asm/local.h中定義。

接下來看它的實現(xiàn)核心，如圖1.4所示。鑒于篇幅的限制，中間關(guān)于SMP的匯編操作在這里省去，感興趣的讀者可參見具體的內(nèi)核源碼。

?

圖1.4 ???? 原子操作的實現(xiàn)核心

可以看到對于SMP系統(tǒng)，它的實現(xiàn)核心是lock指令，而對于單CPU系統(tǒng)來說，則退化為空操作，因為對于單CPU來說，在某程序執(zhí)行期間，不可能有其它CPU來中斷它的執(zhí)行，因此，實際上，非SMP系統(tǒng)中的原子操作是沒有必要存在的。下面討論SMP系統(tǒng)。討論前，先了解x86中的lock指令。lock指令是一種前綴，它可與其他指令聯(lián)合，用來維持總線的鎖存信號直到與其聯(lián)合的指令執(zhí)行完為止。當CPU與其他處理機協(xié)同工作時，該指令可避免破壞有用信息。它對中斷沒有任何影響，因為中斷只能在指令之間產(chǎn)生。lock前綴的真正作用是保持對系統(tǒng)總線的控制，直到整條指令執(zhí)行完畢。

了解完lock指令的作用后，對于原子操作采用lock指令的原因就已經(jīng)很明顯。但需注意：lock指令只是針對自身CPU進行處理。lock指令在執(zhí)行中占用CPU資源，從硬件上考慮，多核之間要負責相互通信，要讓某個核的修改被其他核發(fā)現(xiàn)，因此lock指令的過多使用必然降低系統(tǒng)的性能。

至此，關(guān)于原子操作的內(nèi)容基本上討論到這里。總結(jié)一下，對于原子操作，它的優(yōu)點就是簡單，但它的缺點也很明了，即是只能作計數(shù)操作，保護的東西太少，從它所提供的接口函數(shù)即可看出。

二、自旋鎖

接下來筆者將討論關(guān)于自旋鎖的內(nèi)容。它的定義可表述如下：某個進程在試圖加鎖的時候，若當前鎖已經(jīng)處于“鎖定”狀態(tài)，試圖加鎖進程就進行不斷的“旋轉(zhuǎn)”，用一個死循環(huán)測試鎖的狀態(tài)，直到成功的獲得鎖。它在內(nèi)核include\linux\spinlock_types.h中定義，核心的結(jié)構(gòu)體及成員如圖2.1所示。

圖2.1 ???? 自旋鎖核心結(jié)構(gòu)體及成員

下面首先看下自旋鎖提供了哪些函數(shù)，依次定義include\linux\spinlock.h文件中，部分函數(shù)如圖2.2所示。

?

圖2.2 ???? 自旋鎖提供的部分接口函數(shù)

同樣配合的看個例子，這個例子其實就是對device_count變量的保護，例子如圖2.3所示，同樣需注意加粗部分。仔細研究這個例子對于后續(xù)了解順序鎖有很大幫助，到時讀者便會發(fā)現(xiàn)它其實是順序鎖的核心實現(xiàn)理念。

?

圖2.3 ???? 自旋鎖示例程序

上面關(guān)于自旋鎖的例子應該不難理解，下面讓我們深入自旋鎖加解鎖的核心源碼，進一步來看下它到底是怎么實現(xiàn)的。首先，對于單CPU來說，它的機制實際上就是禁止和使能搶占，下圖展示的是自旋鎖加鎖和解鎖在內(nèi)核中層層迭代的源碼，特別注意加粗部分內(nèi)容。深入琢磨下去，實際上這里牽扯到一個“引用計數(shù)器”的概念。它是內(nèi)存管理的一個技巧，可以看做C/C++中的一種垃圾回收機制，具體的內(nèi)容讀者可以去了解，這里不再細說。

?

圖2.4 ???? 自旋鎖單CPU的加鎖函數(shù)實現(xiàn)核心

以上展示的是一個內(nèi)核加鎖函數(shù)的源碼實現(xiàn)的過程，實際上對于解鎖也是這么一個過程。如圖2.5所示。

?

圖2.5 ???? 自旋鎖針對單CPU的實現(xiàn)源碼

總結(jié)來說，其實對于單CPU來說，其實就是很簡單的內(nèi)容，對于CPU存在內(nèi)核搶占機制的，將禁止內(nèi)核搶占，否則，退化為空操作。

對于SMP系統(tǒng)來說，它除了簡單的禁止或使能本CPU的搶占機制外，還做了一些另外的操作。通過源碼的搜索，我們可以發(fā)現(xiàn)它的實現(xiàn)核心其實是圖2.6中所展示的兩個函數(shù)，采用AT&T匯編實現(xiàn)。看的挺復雜，但實際上分析起來還是很簡單的。

?

圖2.6 ???? 自旋鎖針對SMP系統(tǒng)的實現(xiàn)源碼

在這里，我們可以看到它真正實現(xiàn)了對于多進程的之間某個進程“自旋的情況”，看源碼前先記住幾條指令：”xaddw”, ”cmpb”, “movb”, “incb”，其中xaddw表示先交換源操作數(shù)和目的操作數(shù)的數(shù)值，然后兩個操作數(shù)再按字求和，最終結(jié)果保存在目的寄存器中；”cmpb”, “movb”, “incb”較為簡單，后續(xù)的b（byte）后綴表示按字節(jié)執(zhí)行這條指令。同時注意在Linux內(nèi)核中，采用的AT&T匯編格式，指令操作數(shù)的順序是先源后目的，而不是x86匯編中的先目的后源，如圖2.6中的“xaddw”匯編指令則是%1所代表的寄存器為目的寄存器，即lock->slock變量。下面我們看下具體的執(zhí)行過程，其中P1，P2表示系統(tǒng)中的兩個不同的進程，如圖2.7所描述。

?

圖2.7 ???? 自旋鎖內(nèi)核的執(zhí)行過程

到這里，讀者應該明白了到底自旋鎖是怎么實現(xiàn)自旋的。注意：對于“xaddw”它實際上完成了三條指令的事，為了防止被這個過程被打斷，所以加了LOCK_PREFIX宏，在前面的原子操作我們也看到了LOCK_PREFIX宏實際上是針對lock指令的包裝，當然是針對SMP系統(tǒng)。

當然，上述給出的源碼是最大只支持256個處理器的情況，對于操作256個處理器的時候，內(nèi)核中還有一套函數(shù)去處理，感興趣的可以去研究下。可能分析完源碼后有人會提出這個的疑問：如果P2和P3都在等待自旋鎖，Linux系統(tǒng)如何保證能夠正確的順序執(zhí)行呢？其實，這個在源碼中已經(jīng)體現(xiàn)出來了，實際上，考慮slcok的值，我們可以觀察到它實際上已經(jīng)保證了后續(xù)在等待自旋鎖的進程的順序執(zhí)行性，比如上述分析過程中我們得到P2的slcok=0x0201，假如P1還未釋放，P3又來申請自旋鎖，這時候，內(nèi)核經(jīng)過計算得到P3的slcok=0x0301。進而繼續(xù)分析源碼，我們可知P3要想執(zhí)行，必須得到P2執(zhí)行完畢后（此時slcok=0x0302），方可有條件（slcok經(jīng)過低8位加1后等于0x0303）申請到自旋鎖，從而無形中保證了申請自旋鎖進程的順序執(zhí)行性。由于slock只有高8位用于保證順序性，所以這段源碼最大只支持256個處理器同時申請自旋鎖。

另外說到自旋鎖，不得不提自旋鎖和中斷之間的關(guān)系，首先看一個雙重請求的例子，假如某一進程在臨界區(qū)正在執(zhí)行，然而這時候，突然有一個中斷來打斷了它，于是，在臨界區(qū)觸發(fā)了中斷處理程序，若中斷處理程序里面也有包含申請自旋鎖的操作，這將造成一個大問題，即所謂的雙重請求的例子。如下圖2.8所示。

?

圖2.8 ???? 雙重請求圖例

當然內(nèi)核當然考慮了此種情況，于是在自旋鎖中就有了關(guān)于關(guān)閉中斷的函數(shù)：spin_lock_irq()和spin_unlock_irq()。如圖2.9代碼所示的函數(shù)，但正如圖中所提的那樣，這兩個函數(shù)的使用是有條件的，它要求中斷在加鎖前必須是激活的。假如現(xiàn)在有一個進程，它的中斷本來就是關(guān)閉的，但是你通過這個鎖的過程后中斷變成開了，這不就又造成問題了嗎。考慮此種情況，內(nèi)核中提出了如圖2.10所展示的自旋鎖函數(shù)：spin_lock_irqsave()和spin_unlock_irqrestore()。可能讀者在此會有些許疑惑，既然flags是作為spin_lock_irqsave()的輸出參數(shù)，理論上應當要有”&”符號才對，這里卻沒有。事實上，spin_lock_irqsave()中flags不用“&”是因為這個函數(shù)是以宏形式定義的，一直嵌套，最終到arch\x86\include\asm\irqflags.h下，感興趣的搜索到本源。一般來說，若是輸出參數(shù)不帶”&”符號的函數(shù)，幾乎都是采用宏形式的定義的，這點需注意。

? ? ? ?圖2.9? spin_lock_irq()的使用實例? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??圖2.10? spin_lock_irqsave()的使用實例

關(guān)于中斷下半部的問題，還有幾點需要說明。首先如果存在中斷下半部和某個進程之間存在數(shù)據(jù)共享的問題，那就需要注意一下，因為中斷下半部可搶占進程上下文，因此下半部和進程之間存在臨界區(qū)時除了加鎖，還需要禁止下半部執(zhí)行。內(nèi)核中提供的包括函數(shù)spin_lock_bh() 和spin_unlock_bh()即是實現(xiàn)禁止或使能下半部。同時關(guān)于自旋鎖中的中斷還有兩點要說明：① 若中斷處理程序與中斷下半部共享數(shù)據(jù)，則對數(shù)據(jù)區(qū)加鎖的同時也要禁止中斷，因為中斷也是可搶占中斷下半部。② 若數(shù)據(jù)被軟中斷共享，也需要加鎖，因為在不同處理器上存在軟中斷同時執(zhí)行問題。

OK！上述討論了自旋鎖多方面的內(nèi)容，下面是對自旋鎖一番總結(jié)。首先從前面的實現(xiàn)機制上，讀者可以看到自旋鎖主要針對SMP系統(tǒng)，而且它們存在搶占情況。對于單CPU系統(tǒng)，自旋鎖的實現(xiàn)則退化為空操作。其次自旋鎖是忙等待，要求臨界區(qū)執(zhí)行時間短。再次自旋鎖可能引發(fā)死鎖，引發(fā)的情況有：自旋鎖的遞歸調(diào)用（雙重請求）或獲得自旋鎖后不釋放，最終將導致系統(tǒng)不可用。最后一點則是若自旋鎖在鎖定期間調(diào)用可能引發(fā)睡眠的函數(shù)，如kmalloc()等，從此“一睡不醒”(因為這時候“無人”負責喚醒，主要原因是連中斷都被關(guān)閉了，從此在無人喚醒，除非重啟系統(tǒng))。這一點需特別注意。

至此，關(guān)于自旋鎖部分的內(nèi)容到此討論結(jié)束，讓我們跳出來觀全局，如圖2.11所示。其實抽象的看自旋鎖的實現(xiàn)機制還是挺簡單的，而它提供的關(guān)于中斷的一系列函數(shù)則為自旋鎖提供了“安全帶”的作用。

?

圖2.11 ?? 跳出來觀全局—自旋鎖實現(xiàn)機制

出于文章篇幅的限制，本篇博文到此結(jié)束，后續(xù)將會給出《大話Linux內(nèi)核中鎖機制之內(nèi)存屏障、讀寫自旋鎖及順序鎖》，感興趣的讀者可繼續(xù)閱讀后一篇博文。由于筆者水平所限，博文中難免有出錯之處，歡迎讀者指出，大家相互討論，共同進步。

轉(zhuǎn)載請注明出處：http://blog.sina.com.cn/huangjiadong19880706

【作者】張昺華 【出處】http://www.cnblogs.com/sky-heaven/ 【博客園】 http://www.cnblogs.com/sky-heaven/ 【新浪博客】 http://blog.sina.com.cn/u/2049150530 【知乎】 http://www.zhihu.com/people/zhang-bing-hua 【我的作品---旋轉(zhuǎn)倒立擺】 http://v.youku.com/v_show/id_XODM5NDAzNjQw.html?spm=a2hzp.8253869.0.0&from=y1.7-2 【我的作品---自平衡自動循跡車】 http://v.youku.com/v_show/id_XODM5MzYyNTIw.html?spm=a2hzp.8253869.0.0&from=y1.7-2 【新浪微博】 張昺華--sky 【twitter】 @sky2030_ 【facebook】 張昺華 zhangbinghua 本文版權(quán)歸作者和博客園共有，歡迎轉(zhuǎn)載，但未經(jīng)作者同意必須保留此段聲明，且在文章頁面明顯位置給出原文連接，否則保留追究法律責任的權(quán)利.

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的大话Linux内核中锁机制之原子操作、自旋锁【转】的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

如果覺得生活随笔網(wǎng)站內(nèi)容還不錯，歡迎將生活随笔推薦給好友。