1樓
wangxinxin 發(fā)表于：2010-11-24 9:20:31
序言就像我們在操作系統(tǒng)里學(xué)習(xí)的那樣，如果多個(gè)程序（進(jìn)程或線程）同時(shí)訪問臨界區(qū)數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)生競爭。存在競爭條件的程序會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。消除競爭的方法一般就是同步的訪問臨界區(qū)數(shù)據(jù)（原子訪問）。Linux內(nèi)核提供了多種技術(shù)用來實(shí)現(xiàn)內(nèi)核同步操作。下面我們就分別介紹。
內(nèi)核同步技術(shù)Linux內(nèi)核是多進(jìn)程、多線程的操作系統(tǒng)，它提供了相當(dāng)完整的內(nèi)核同步方法。作為一個(gè)總結(jié)，我們先列出內(nèi)核同步方法列表，這樣我們可以從總體上對內(nèi)核同步技術(shù)有個(gè)了解，然后我們這分別對每個(gè)同步技術(shù)做詳細(xì)介紹。
| 同步技術(shù) |
同步技術(shù)描述 |
| 自旋鎖 |
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| 讀寫自旋鎖 |
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| 信號量 |
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讀寫信號量
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原子操作
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| 內(nèi)存屏障 |
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完成變量
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| 大內(nèi)核鎖 |
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seq鎖
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鎖機(jī)制是一種廣泛使用的同步技術(shù)，Linux內(nèi)核中最常見的鎖就是自旋鎖（spin lock）。自旋鎖被設(shè)計(jì)工作在多個(gè)處理器上（SMP），它只能被一個(gè)CPU上的一個(gè)進(jìn)程（線程）所持有。它也可以工作在支持搶占的單處理器上。如果另一個(gè)進(jìn)程或線程試圖獲取一個(gè)被持有的自旋鎖，那么它就會(huì)在該鎖上自旋（循環(huán)的執(zhí)行一小段代碼）直到該鎖被釋放。從這個(gè)意義上說，自旋鎖是忙等待的，這就會(huì)特別浪費(fèi)處理器的時(shí)間，因此自旋鎖不應(yīng)該被長時(shí)間持有。對于單處理器并且不可搶占的內(nèi)核來說，自旋鎖什么也不作。
需要強(qiáng)調(diào)的是，自旋鎖別設(shè)計(jì)用于多處理器的同步機(jī)制，對于單處理器，內(nèi)核在編譯時(shí)不會(huì)引入自旋鎖機(jī)制，對于可搶占的內(nèi)核，它僅僅被用于設(shè)置內(nèi)核的搶占機(jī)制是否開啟的一個(gè)開關(guān)，也就是說加鎖和解鎖實(shí)際變成了禁止或開啟內(nèi)核搶占功能。如果內(nèi)核不支持搶占，那么自旋鎖根本就不會(huì)編譯到內(nèi)核中。
內(nèi)核中使用spinlock_t類型來表示自旋鎖，它定義在<linux/spinlock_types.h>：
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typedef struct {
raw_spinlock_t raw_lock;
#if defined(CONFIG_PREEMPT) && defined(CONFIG_SMP)
unsigned int break_lock;
#endif
} spinlock_t; |
對于不支持SMP的內(nèi)核來說，struct raw_spinlock_t什么也沒有，是一個(gè)空結(jié)構(gòu)。對于支持多處理器的內(nèi)核來說，struct raw_spinlock_t定義為
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typedef struct {
unsigned int slock;
} raw_spinlock_t; |
slock表示了自旋鎖的狀態(tài)，“1”表示自旋鎖處于解鎖狀態(tài)（UNLOCK），“0”表示自旋鎖處于上鎖狀態(tài)（LOCKED）。
break_lock表示當(dāng)前是否由進(jìn)程在等待自旋鎖，顯然，它只有在支持搶占的SMP內(nèi)核上才起作用。
自旋鎖的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)復(fù)雜的過程，說它復(fù)雜不是因?yàn)樾枰嗌俅a或邏輯來實(shí)現(xiàn)它，其實(shí)它的實(shí)現(xiàn)代碼很少。自旋鎖的實(shí)現(xiàn)跟體系結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，核心代碼基本也是由匯編語言寫成，與體協(xié)結(jié)構(gòu)相關(guān)的核心代碼都放在相關(guān)的<asm/>目錄下，比如<asm/spinlock.h>。對于我們驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)人員來說，我們沒有必要了解這么spinlock的內(nèi)部細(xì)節(jié)，如果你對它感興趣，請參考閱讀Linux內(nèi)核源代碼。對于我們驅(qū)動(dòng)的spinlock接口，我們只需包括<linux/spinlock.h>頭文件。在我們詳細(xì)的介紹spinlock的API之前，我們先來看看自旋鎖的一個(gè)基本使用格式：
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#include <linux/spinlock.h>
spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
spin_lock(&lock);
....
spin_unlock(&lock); |
從使用上來說，spinlock的API還很簡單的，一般我們會(huì)用的的API如下表，其實(shí)它們都是定義在<linux/spinlock.h>中的宏接口，真正的實(shí)現(xiàn)在<asm/spinlock.h>中
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#include <linux/spinlock.h>
SPIN_LOCK_UNLOCKED
DEFINE_SPINLOCK
spin_lock_init( spinlock_t *)
spin_lock(spinlock_t *)
spin_unlock(spinlock_t *)
spin_lock_irq(spinlock_t *)
spin_unlock_irq(spinlock_t *)
spin_lock_irqsace(spinlock_t *，unsigned long flags)
spin_unlock_irqsace(spinlock_t *, unsigned long flags)
spin_trylock(spinlock_t *)
spin_is_locked(spinlock_t *) |
spinlock有兩種初始化形式，一種是靜態(tài)初始化，一種是動(dòng)態(tài)初始化。對于靜態(tài)的spinlock對象，我們用 SPIN_LOCK_UNLOCKED來初始化，它是一個(gè)宏。當(dāng)然，我們也可以把聲明spinlock和初始化它放在一起做，這就是 DEFINE_SPINLOCK宏的工作，因此，下面的兩行代碼是等價(jià)的。
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DEFINE_SPINLOCK (lock);
spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED; |
spin_lock_init 函數(shù)一般用來初始化動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的spinlock_t對象，它的參數(shù)是一個(gè)指向spinlock_t對象的指針。當(dāng)然，它也可以初始化一個(gè)靜態(tài)的沒有初始化的spinlock_t對象。
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spinlock_t *lock
......
spin_lock_init(lock); |
內(nèi)核提供了三個(gè)函數(shù)用于獲取一個(gè)自旋鎖。
spin_lock：獲取指定的自旋鎖。
spin_lock_irq：禁止本地中斷并獲取自旋鎖。
spin_lock_irqsace：保存本地中斷狀態(tài)，禁止本地中斷并獲取自旋鎖，返回本地中斷狀態(tài)。
自旋鎖是可以使用在中斷處理程序中的，這時(shí)需要使用具有關(guān)閉本地中斷功能的函數(shù)，我們推薦使用 spin_lock_irqsave，因?yàn)樗鼤?huì)保存加鎖前的中斷標(biāo)志，這樣就會(huì)正確恢復(fù)解鎖時(shí)的中斷標(biāo)志。如果spin_lock_irq在加鎖時(shí)中斷是關(guān)閉的，那么在解鎖時(shí)就會(huì)錯(cuò)誤的開啟中斷。
另外兩個(gè)同自旋鎖獲取相關(guān)的函數(shù)是：
spin_trylock()：嘗試獲取自旋鎖，如果獲取失敗則立即返回非0值，否則返回0。
spin_is_locked()：判斷指定的自旋鎖是否已經(jīng)被獲取了。如果是則返回非0，否則，返回0。
同獲取鎖相對應(yīng)，內(nèi)核提供了三個(gè)相對的函數(shù)來釋放自旋鎖。
spin_unlock：釋放指定的自旋鎖。
spin_unlock_irq：釋放自旋鎖并激活本地中斷。
spin_unlock_irqsave：釋放自旋鎖，并恢復(fù)保存的本地中斷狀態(tài)。
如果臨界區(qū)保護(hù)的數(shù)據(jù)是可讀可寫的，那么只要沒有寫操作，對于讀是可以支持并發(fā)操作的。對于這種只要求寫操作是互斥的需求，如果還是使用自旋鎖顯然是無法滿足這個(gè)要求（對于讀操作實(shí)在是太浪費(fèi)了）。為此內(nèi)核提供了另一種鎖－讀寫自旋鎖，讀自旋鎖也叫共享自旋鎖，寫自旋鎖也叫排他自旋鎖。
讀寫自旋鎖的使用也普通自旋鎖的使用很類似，首先要初始化讀寫自旋鎖對象：
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// 靜態(tài)初始化
rwlock_t rwlock = RW_LOCK_UNLOCKED;
//動(dòng)態(tài)初始化
rwlock_t *rwlock;
...
rw_lock_init(rwlock); |
在讀操作代碼里對共享數(shù)據(jù)獲取讀自旋鎖：
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read_lock(&rwlock);
...
read_unlock(&rwlock); |
在寫操作代碼里為共享數(shù)據(jù)獲取寫自旋鎖：
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write_lock(&rwlock);
...
write_unlock(&rwlock); |
需要注意的是，如果有大量的寫操作，會(huì)使寫操作自旋在寫自旋鎖上而處于寫?zhàn)囸I狀態(tài)（等待讀自旋鎖的全部釋放），因?yàn)樽x自旋鎖會(huì)自由的獲取讀自旋鎖。
讀寫自旋鎖的函數(shù)類似于普通自旋鎖，這里就不一一介紹了，我們把它列在下面的表中。
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RW_LOCK_UNLOCKED
rw_lock_init(rwlock_t *)
read_lock(rwlock_t *)
read_unlock(rwlock_t *)
read_lock_irq(rwlock_t *)
read_unlock_irq(rwlock_t *)
read_lock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
read_unlock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
write_lock(rwlock_t *)
write_unlock(rwlock_t *)
write_lock_irq(rwlock_t *)
write_unlock_irq(rwlock_t *)
write_lock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
write_unlock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
rw_is_locked(rwlock_t *) |
信號量，或旗標(biāo)，就是我們在操作系統(tǒng)里學(xué)習(xí)的經(jīng)典的P/V原語操作。
P：如果信號量值大于0，則遞減信號量的值，程序繼續(xù)執(zhí)行，否則，睡眠等待信號量大于0。
V：遞增信號量的值，如果遞增的信號量的值大于0，則喚醒等待的進(jìn)程。
信號量的值確定了同時(shí)可以有多少個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)，如果信號量的初始值始1，這信號量就是互斥信號量（MUTEX）。對于大于1的非0值信號量，也可稱為計(jì)數(shù)信號量（counting semaphore）。對于一般的驅(qū)動(dòng)程序使用的信號量都是互斥信號量。