linux内核锁机制_技术

　　在现代 *** 作系统里，同一时间可能有多个内核执行流在执行，因此内核其实象多进程多线程编程一样也需要一些同步机制来同步各执行单元对共享数据的访问。尤其是在多处理器系统上，更需要一些同步机制来同步不同处理器上的执行单元对共享的数据的访问。

　　在主流的Linux内核中包含了几乎所有现代的 *** 作系统具有的同步机制，这些同步机制包括：原子 *** 作、信号量（semaphore）、读写信号量（rw_semaphore）、spinlock、BKL（Big Kernel Lock）、rwlock、brlock（只包含在2.4内核中）、RCU（只包含在2.6内核中）和seqlock（只包含在2.6内核中）。

　　比较经典的有原子 *** 作、spin_lock（忙等待的锁）、mutex（互斥锁）、semaphore（信号量）等。并且它们几乎都有对应的rw_XXX（读写锁），以便在能够区分读与写的情况下，让读 *** 作相互不互斥（读写、写写依然互斥）。而seqlock和rcu应该可以不算在经典之列，它们是两种比较有意思的同步机制。

　　原子 *** 作

　　原子 *** 作就是指某一个 *** 作在执行过程中不可以被打断，要么全部执行，要不就一点也不执行。原子 *** 作需要硬件的支持，与体系结构相关，使用汇编语言实现。原子 *** 作主要用于实现资源计数，很多引用计数就是通过原子 *** 作实现。Linux中提供了两种原子 *** 作接口，分别是原子整数 *** 作和原子位 *** 作。

　　原子整数 *** 作只对atomic_t类型的数据进行 *** 作，不能对C语言的int进行 *** 作，使用atomic_t只能将其作为24位数据处理，主要是在SPARC体系结构中int的低8为中设置了一个锁，避免对原子类型数据的并发访问。

　　原子位 *** 作是针对由指针变量指定的任意一块内存区域的位序列的某一位进行 *** 作。它只是针对普通指针的 *** 作，不需要定义一个与该 *** 作相对应的数据类型。

　　原子类型定义如下：

　　typedefstruct { volaTIle int counter; }atomic_t;

　　volaTIle修饰字段告诉gcc不要对该类型的数据做优化处理，对它的访问都是对内存的访问，而不是对寄存器的访问。

　　原子 *** 作API包括：

　　atomic_read（atomic_t* v）;

　　该函数对原子类型的变量进行原子读 *** 作，它返回原子类型的变量v的值。

　　atomic_set（atomic_t* v， int i）;

　　该函数设置原子类型的变量v的值为i。

　　voidatomic_add（int i， atomic_t *v）;

　　该函数给原子类型的变量v增加值i。

　　atomic_sub（inTI， atomic_t *v）;

　　该函数从原子类型的变量v中减去i。

　　intatomic_sub_and_test（int i， atomic_t *v）;

　　该函数从原子类型的变量v中减去i，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。

　　voidatomic_inc（atomic_t *v）;

　　该函数对原子类型变量v原子地增加1。

　　voidatomic_dec（atomic_t *v）;

　　该函数对原子类型的变量v原子地减1。

　　intatomic_dec_and_test（atomic_t *v）;

　　该函数对原子类型的变量v原子地减1，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。

　　intatomic_inc_and_test（atomic_t *v）;

　　该函数对原子类型的变量v原子地增加1，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。

　　intatomic_add_negaTIve（int i， atomic_t*v）;

　　该函数对原子类型的变量v原子地增加I，并判断结果是否为负数，如果是，返回真，否则返回假。

　　intatomic_add_return（int i， atomic_t *v）;

　　该函数对原子类型的变量v原子地增加i，并且返回指向v的指针。

　　intatomic_sub_return（int i， atomic_t *v）;

　　该函数从原子类型的变量v中减去i，并且返回指向v的指针。

　　intatomic_inc_return（atomic_t * v）;

　　该函数对原子类型的变量v原子地增加1并且返回指向v的指针。

　　intatomic_dec_return（atomic_t * v）;

　　该函数对原子类型的变量v原子地减1并且返回指向v的指针。

　　原子 *** 作通常用于实现资源的引用计数，在TCP/IP协议栈的IP碎片处理中，就使用了引用计数，碎片队列结构structipq描述了一个IP碎片，字段refcnt就是引用计数器，它的类型为atomic_t，当创建IP碎片时（在函数ip_frag_create中），使用atomic_set函数把它设置为1，当引用该IP碎片时，就使用函数atomic_inc把引用计数加1，当不需要引用该IP碎片时，就使用函数ipq_put来释放该IP碎片，ipq_put使用函数atomic_dec_and_test把引用计数减1并判断引用计数是否为0，如果是就释放Ip碎片。函数ipq_kill把IP碎片从ipq队列中删除，并把该删除的IP碎片的引用计数减1（通过使用函数atomic_dec实现）。

　　自旋锁

　　Linux自旋锁保证了任意时刻只能有一个执行线程进入临界区，其他试图进入临界区的线程将一直进行尝试（即自旋），直到获得该锁。自旋锁主要应用在加锁时间不长并且不会睡眠的情况。

　　自旋锁的本质是对内存区域的一个整数的 *** 作，任何线程进入临界区之前都必须检查该整数，可用则进入，都则一直忙循环等待。

　　自旋锁机制让试图获得该锁的线程一直进行忙循环（占用CPU），因此自旋锁适合于断时间内进行轻量级加锁。而且自旋锁绝对不可以递归使用，否则会被自己锁死。

　　Linux自旋锁主要应用与多核处理器中，单CPU中不会进行自旋锁 *** 作。

　　linux上的自旋锁有三种实现：

　　a. 在单cpu，不可抢占内核中，自旋锁为空 *** 作。

　　b. 在单cpu，可抢占内核中，自旋锁实现为“禁止内核抢占”，并不实现“自旋”。

　　c. 在多cpu，可抢占内核中，自旋锁实现为“禁止内核抢占” + “自旋”。其中，禁止内核抢占只是关闭“可抢占标志”，而不是禁止进程切换。显式使用schedule或进程阻塞（此也会导致调用schedule）时，还是会发生进程调度的。

　　使用自旋锁需要注意有可能造成的死锁情况：

　　static DEFINE_SPINLOCK（xxx_lock）;

　　unsigned long flags;