By [Jerling]

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在进行多线程编程时，我们要特意留意共享数据的保护，防止并发访问时多个线程同时操作 导致的结果不一致性。 Linux 2.0 开始内核开始支持 SMP. 所以内核可以在同一时刻运行 多个内核线程。因此内核的共享数据的保护显得尤为重要。

基本概念

  1. 临界区：访问和操作共享数据的代码段
  2. 竞争：两个或多个线程对临界区的同时访问
  3. 同步：避免并发和防止竞争

同步方法

原子操作

原子指不可分割的执行序列，原子操作可以保证指令以原子的方式执行。

原子整型操作

只能对类型为 atomic_t 的数据进行处理。不使用 int 原因如下：

  1. 确保只与这种特殊类型的数据一起使用，这样保证该类型的数据不会被传递给任何非原 子函数
  2. 确保编译器不对相应的值进行访问优化，这使得原子操作最终接收到正确的内存地址， 而不是一个别名。
  3. 在不同体系结构下实现原子操作时可以屏蔽其间的差异
typedef struct {
  volatile int counter;
} atomic_t;

内核提供的接口在 <asm/atomic.h> 中： {{ figure src= “/images/截图_2019-06-12_21-08-15.png” >}}

能使用原子操作时尽量使用，相比于其它的加锁机制。原子操作与复杂的同步方法系统开 销更小，对高速缓存的影响也很小。原子操作大部分是内联函数，内嵌汇编代码。

64位原子操作

typedef struct{
  volatile long counter;
}atomic64_t;

使用方式和 atomic_t 一样，只是将名称都改为 atomic64_t.

原子位操作

位操作是对普通内存地址进行操作。参数是一个地址和位号。只要指针指向目标数据，就可 以对其操作。 {{ figure src= “/images/截图_2019-06-12_21-23-14.png” >}}

内核同时还提供了非原子位操作，函数名称是上述函数前前面加上双下划线。如 test_bit() 的非原子形式为 __test_bit(). 它通常比原子操作快些。

自旋锁

Linux 内核中最常见的锁。最多只能被一个可执行线程持有。如果一个线程试图获取一个被 占用的自旋锁，那么就会陷入忙循环－旋转－等待锁重新可用。

使用：

DEFINE_SPINLOCK(mr_lock);
spin_lock(&mr_lock);
/* 临界区 */
spin_unlock(&mr_lock);

Linux 内核实现的自旋锁是不可递归的。

可以用在中断处理程序中（不能使用信号量，因为会导致睡眠）。在获取自旋锁之前，必须 禁止本地中断（当前处理器），否则中断处理程序就会打断有锁的内核代码，有可能试图去争取这个已经被 占用的自旋锁，这样中断处理程序就会自旋等待该锁重新可用；但锁的持有者在这个中断程 序处理完之前不可能运行。

读写自旋锁

信号量

Linux 中的信号量是一种睡眠锁，如果一个任务试图获取不可用（被占用）的信号量时，信 号量会将其推进一个等待队列，然后让其睡眠。当持有信号量的任务释放信号量后，处于等 待队列中的任务将被唤醒并获得信号量。

  1. 争用时会睡眠，所以适用于锁会被长时间持有的情况
  2. 相反，短时间持有时，就不适合了，因为睡眠、维护等待队列以及唤醒的开销可能比锁 占用的时间还长
  3. 由于执行线程会睡眠，所以只能在进程上下文中获取信号量锁，因为在中断上下文是不 能调度的
  4. 在持有信号量时睡眠，因为其它等待进程不会因此死锁
  5. 占用信号锁的同时不能占用自旋锁，因为等待信号量时有可能睡眠，而持 有自旋锁不能睡眠

计数信号量和二值信号量

二值信号量又称互斥信号量，表示同一时刻只能有一个线程持有该锁。

读写信号量

和读写自旋锁一样，将信号量细分为读写两个步骤进行加锁

互斥体

是一种比互斥信号量简洁高效的互斥锁；行为和互斥信号量类似，但接口比互斥信号量简单；

互斥体的使用场景相对而言更严格、定向：

  • 任何时刻只有一个任务持有 mutex,即 mutex 的计数永远为 1
  • 给 mutex 上锁者必须负责解锁，即不能在一个上下文加锁，而在另一个上下文解锁。 这使得 mutex 不适合内核同用户空间复杂的同步场景
  • 不允许递归的上锁和解锁
  • 当持有一个 mutex 时，进程不可以退出
  • mutex 只能通过官方 API 管理，不可拷贝、手动初始化或者重复初始化

最有用的特色是：通过一个特殊的调试模式，内核可以采用编程方式检查和警告任何践踏其 约束法则的行为。

对于信号量和互斥体的选择：首选互斥体，除非它的约束条件不够

自旋锁和互斥体的选择：

完成变量

用于一个任务发送给另一个任务发生某个特定事件的信号。他是信号量的简单替代解决方案， 如子进程执行或退出时使用完成变量唤醒父进程。

通常的用法是：将完成变量作为数据结构中的一项动态创建，而完成数据结构初始化工作的 内核代码将调用 wait_for_completion() 进行等待。初始化完成后，初始化函数调用 completion() 唤醒等待的内核任务。

大内核锁（BKL)

是一个全局自旋锁，主要是为了方便实现从 Linux 最初的 SMP 过渡到细粒度加锁机制。 BKL 多数情况下像是在保护代码而不是数据。这也是使用自旋锁代替 BKL 的困难之处。

  • 持有 BKL 的任务可以睡眠。因为当任务无法调度时，所加锁会被自动丢弃；当任务被调 度时，又会重新获得。
  • BKL 是一种递归锁。可以多次请求一个锁，不会像自旋锁那样产生死锁
  • 只可以用在进程上下文，这点不同与自旋锁
  • 新的用户不允许使用 BKL, 现在已经很少有驱动和子系统依赖与 BKL 了

顺序锁

简称 seq 锁，2.6 版引入的新型锁。是一种用于保护读写共享数据的简单机制。实现主 要依靠一个序列计数器，当有疑义的数据被写入时，会得到一个锁，并且序列会增加。在读 取数据之前和之后，序列号都被读取。如果读取的序列号值相同，说明在读操作进行的过程 中没有被写操作打断过。此外，如果读取的值是偶数，就表明写操作没有发生（即初始值是 0,写锁变为奇数，释放再变为偶数）

应用场景：

  • 存在很多的读者
  • 写者很少
  • 虽然写者少，但希望写优于读，且不允许读者让写者饥饿
  • 数据很简单。

禁止抢占

使用一个自旋锁可以避免内核抢占，但是这会使全部的处理器均不可抢占该临界区。但有时 候我们只想保护某个处理器上的数据，那么我们可以使用在某个处理上禁止内核抢占即可。

preempt_disable() 可以嵌套调用，可以调用任意次，但必须有相应的 preempt_enable() 调用。抢占计数存放着被持有锁的数量和 preempt_disable() 的调 用次数，如果计数是 0, 表示内核可抢占。

还有一种简单的方法是使用 get_cpu() 和 put_cpu(), 在 get_cpu() 返回前会关闭 内核抢占，使用 put_cpu() 开启内核抢占。

int cpu;
cpu = get_cpu();
/* 对处理器上的数据进行操作 */
put_cpu(); /* 开启内核抢占 */

顺序和屏障