Linux內(nèi)核的同步機(jī)制

一、引言

在現(xiàn)代操作系統(tǒng)里，同一時間可能有多個內(nèi)核執(zhí)行流在執(zhí)行，因此內(nèi)核其實(shí)象多進(jìn)程多線程編程一樣也需要一些同步機(jī)制來同步各執(zhí)行單元對共享數(shù)據(jù)的訪問。尤其是在多處理器系統(tǒng)上，更需要一些同步機(jī)制來同步不同處理器上的執(zhí)行單元對共享的數(shù)據(jù)的訪問。

在主流的Linux內(nèi)核中包含了幾乎所有現(xiàn)代的操作系統(tǒng)具有的同步機(jī)制，這些同步機(jī)制包括：原子操作、信號量（semaphore）、讀寫信號量（rw_semaphore）、spinlock、BKL(Big Kernel Lock)、rwlock、brlock（只包含在2.4內(nèi)核中）、RCU（只包含在2.6內(nèi)核中）和seqlock（只包含在2.6內(nèi)核中）。

二、原子操作

所謂原子操作，就是該操作絕不會在執(zhí)行完畢前被任何其他任務(wù)或事件打斷，也就說，它的最小的執(zhí)行單位，不可能有比它更小的執(zhí)行單位，因此這里的原子實(shí)際是使用了物理學(xué)里的物質(zhì)微粒的概念。

原子操作需要硬件的支持，因此是架構(gòu)相關(guān)的，其API和原子類型的定義都定義在內(nèi)核源碼樹的include/asm/atomic.h文件中，它們都使用匯編語言實(shí)現(xiàn)，因為C語言并不能實(shí)現(xiàn)這樣的操作。

原子操作主要用于實(shí)現(xiàn)資源計數(shù)，很多引用計數(shù)(refcnt)就是通過原子操作實(shí)現(xiàn)的。原子類型定義如下：

typedef struct { volatile int counter; } atomic_t;

volatile修飾字段告訴gcc不要對該類型的數(shù)據(jù)做優(yōu)化處理，對它的訪問都是對內(nèi)存的訪問，而不是對寄存器的訪問。

原子操作API包括：

atomic_read(atomic_t * v);

該函數(shù)對原子類型的變量進(jìn)行原子讀操作，它返回原子類型的變量v的值。

atomic_set(atomic_t * v, int i);

該函數(shù)設(shè)置原子類型的變量v的值為i。

void atomic_add(int i, atomic_t *v);

該函數(shù)給原子類型的變量v增加值i。

atomic_sub(int i, atomic_t *v);

該函數(shù)從原子類型的變量v中減去i。

int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);

該函數(shù)從原子類型的變量v中減去i，并判斷結(jié)果是否為0，如果為0，返回真，否則返回假。

void atomic_inc(atomic_t *v);

該函數(shù)對原子類型變量v原子地增加1。

void atomic_dec(atomic_t *v);

該函數(shù)對原子類型的變量v原子地減1。

int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);

該函數(shù)對原子類型的變量v原子地減1，并判斷結(jié)果是否為0，如果為0，返回真，否則返回假。

int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);

該函數(shù)對原子類型的變量v原子地增加1，并判斷結(jié)果是否為0，如果為0，返回真，否則返回假。

int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v);

該函數(shù)對原子類型的變量v原子地增加I，并判斷結(jié)果是否為負(fù)數(shù)，如果是，返回真，否則返回假。

int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);

該函數(shù)對原子類型的變量v原子地增加i，并且返回指向v的指針。

int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);

該函數(shù)從原子類型的變量v中減去i，并且返回指向v的指針。

int atomic_inc_return(atomic_t * v);

該函數(shù)對原子類型的變量v原子地增加1并且返回指向v的指針。

int atomic_dec_return(atomic_t * v);

該函數(shù)對原子類型的變量v原子地減1并且返回指向v的指針。

原子操作通常用于實(shí)現(xiàn)資源的引用計數(shù)，在TCP/IP協(xié)議棧的IP碎片處理中，就使用了引用計數(shù)，碎片隊列結(jié)構(gòu)struct ipq描述了一個IP碎片，字段refcnt就是引用計數(shù)器，它的類型為atomic_t，當(dāng)創(chuàng)建IP碎片時（在函數(shù)ip_frag_create中），使用atomic_set函數(shù)把它設(shè)置為1，當(dāng)引用該IP碎片時，就使用函數(shù)atomic_inc把引用計數(shù)加1。

當(dāng)不需要引用該IP碎片時，就使用函數(shù)ipq_put來釋放該IP碎片，ipq_put使用函數(shù)atomic_dec_and_test把引用計數(shù)減1并判斷引用計數(shù)是否為0，如果是就釋放IP碎片。函數(shù)ipq_kill把IP碎片從ipq隊列中刪除，并把該刪除的IP碎片的引用計數(shù)減1（通過使用函數(shù)atomic_dec實(shí)現(xiàn)）。

三、信號量（semaphore）

Linux內(nèi)核的信號量在概念和原理上與用戶態(tài)的System V的IPC機(jī)制信號量是一樣的，但是它絕不可能在內(nèi)核之外使用，因此它與System V的IPC機(jī)制信號量毫不相干。

信號量在創(chuàng)建時需要設(shè)置一個初始值，表示同時可以有幾個任務(wù)可以訪問該信號量保護(hù)的共享資源，初始值為1就變成互斥鎖（Mutex），即同時只能有一個任務(wù)可以訪問信號量保護(hù)的共享資源。

一個任務(wù)要想訪問共享資源，首先必須得到信號量，獲取信號量的操作將把信號量的值減1，若當(dāng)前信號量的值為負(fù)數(shù)，表明無法獲得信號量，該任務(wù)必須掛起在該信號量的等待隊列等待該信號量可用；若當(dāng)前信號量的值為非負(fù)數(shù)，表示可以獲得信號量，因而可以立刻訪問被該信號量保護(hù)的共享資源。

當(dāng)任務(wù)訪問完被信號量保護(hù)的共享資源后，必須釋放信號量，釋放信號量通過把信號量的值加1實(shí)現(xiàn)，如果信號量的值為非正數(shù)，表明有任務(wù)等待當(dāng)前信號量，因此它也喚醒所有等待該信號量的任務(wù)。

信號量的API有：

DECLARE_MUTEX(name)

該宏聲明一個信號量name并初始化它的值為0，即聲明一個互斥鎖。

DECLARE_MUTEX_LOCKED(name)

該宏聲明一個互斥鎖name，但把它的初始值設(shè)置為0，即鎖在創(chuàng)建時就處在已鎖狀態(tài)。因此對于這種鎖，一般是先釋放后獲得。

void sema_init (struct semaphore *sem, int val);

該函用于數(shù)初始化設(shè)置信號量的初值，它設(shè)置信號量sem的值為val。

void init_MUTEX (struct semaphore *sem);

該函數(shù)用于初始化一個互斥鎖，即它把信號量sem的值設(shè)置為1。

void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem);

該函數(shù)也用于初始化一個互斥鎖，但它把信號量sem的值設(shè)置為0，即一開始就處在已鎖狀態(tài)。

void down(struct semaphore * sem);

該函數(shù)用于獲得信號量sem，它會導(dǎo)致睡眠，因此不能在中斷上下文（包括IRQ上下文和softirq上下文）使用該函數(shù)。該函數(shù)將把sem的值減1，如果信號量sem的值非負(fù)，就直接返回，否則調(diào)用者將被掛起，直到別的任務(wù)釋放該信號量才能繼續(xù)運(yùn)行。

int down_interruptible(struct semaphore * sem);