linux 多线程环境下的几种锁机制

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互斥量（Mutex）

互斥量是实现最简单的锁类型，因此有一些教科书一般以互斥量为例对锁原语进行描述。互斥量的释放并不仅仅依赖于释放 *** 作，还可以引入一个定时器属性。如果在释放 *** 作执行前发生定时器超时，则互斥量也会释放代码块或共享存储区供其他线程访问。当有异常发生时，可使用try-finally语句来确保互斥量被释放。定时器状态或try-finally语句的使用可以避免产生死锁。

递归锁（Recursive

Lock）

递归锁是指可以被当前持有该锁的线程重复获取，而不会导致该线程产生死锁的锁类型。对递归锁而言，只有在当前持有线程的获取锁 *** 作都有一个释放 *** 作与之对应时，其他线程才可以获取该锁。因此，在使用递归锁时，必须要用足够的释放锁 *** 作来平衡获取锁 *** 作，实现这一目标的最佳方式是在单入口单出口代码块的两头一一对应地使用获取、释放 *** 作，做法和在普通锁中一样。递归锁在递归函数中最有用。但是，总的来说，递归锁比非递归锁速度要慢。需要注意的是：调用线程获得几次递归锁必须释放几次递归锁。

以下为一个递归锁的示例：

[cpp] view plain copy

Recursive_Lock L

void recursiveFunction (int count) {

L->acquire()

if (count >0) {

count = count - 1

recursiveFunction(count)

}

L->release()

}

读写锁（Read-Write

lock） 读写锁又称为共享独占锁（shared-exclusive

lock）、多读单写锁（multiple-read/single-write lock）或者非互斥信号量（non-mutual

exclusion

semaphore）。读写锁允许多个线程同时进行读访问，但是在某一时刻却最多只能由一个线程执行写 *** 作。对于多个线程需要同时读共享数据却并不一定进行写 *** 作的应用来说，读写锁是一种高效的同步机制。对于较长的共享数据，只为其设置一个读写锁会导致较长的访问时间，最好将其划分为多个小段并设置多个读写锁以进行同步。

这个读写锁我们在学习数据库的时候应该很熟悉的哟！

旋转锁（Spin

Lock）

旋转锁是一种非阻塞锁，由某个线程独占。采用旋转锁时，等待线程并不静态地阻塞在同步点，而是必须“旋转”，不断尝试直到最终获得该锁。旋转锁多用于多处理器系统中。这是因为，如果在单核处理器中采用旋转锁，当一个线程正在“旋转”时，将没有执行资源可供另一释放锁的线程使用。旋转锁适合于任何锁持有时间少于将一个线程阻塞和唤醒所需时间的场合。线程控制的变更，包括线程上下文的切换和线程数据结构的更新，可能比旋转锁需要更多的指令周期。旋转锁的持有时间应该限制在线程上下文切换时间的50%到100%之间（Kleiman，1996年）。在线程调用其他子系统时，线程不应持有旋转锁。对旋转锁的不当使用可能会导致线程饿死，因此需谨慎使用这种锁机制。旋转锁导致的饿死问题可使用排队技术来解决，即每个等待线程按照先进先出的顺序或者队列结构在一个独立的局部标识上进行旋转。

学习了这些，果然受益匪浅，在今后的coding中，我得挨个试试咯。

Linux内核中的RCU机制

RCU的设计思想比较明确，通过新老指针替换的方式来实现免锁方式的共享保护。但是具体到代码的层面，理解起来多少还是会有些困难。下面我准备了关于Linux内核中的RCU机制的文章，提供给大家参考!

RCU读取侧进入临界区的标志是调用rcu_read_lock，这个函数的代码是：

static inline void rcu_read_lock(void)

{

__rcu_read_lock()

__acquire(RCU)

rcu_read_acquire()

}

该实现里面貌似有三个函数调用，但实质性的工作由第一个函数__rcu_read_lock()来完成，__rcu_read_lock()通过调用 preempt_disable()关闭内核可抢占性。但是中断是允许的，假设读取者正处于rcu临界区中且刚读取了一个共享数据区的指针p(但是还没有访问p中的数据成员)，发生了一个中断，而该中断处理例程ISR恰好需要修改p所指向的数据区，按照RCU的设计原则，ISR会新分配一个同样大小的数据区new_p，再把老数据区p中的数据拷贝到新数据区，接着是在new_p的基础上做数据修改的工作(因为是在new_p空间中修改，所以不存在对p的并发访问，因此说RCU是一种免锁机制，原因就在这里)，ISR在把数据更新的工作完成后，将new_p赋值给p(p=new_p),最后它会再注册一个回调函数用以在适当的时候释放老指针p。因此，只要对老指针p上的所有引用都结束了，释放p就不会有问题。当中断处理例程做完这些工作返回后，被中断的进程将依然访问到p空间上的数据，也就是老数据，这样的结果是RCU机制所允许的。RCU规则对读取者与写入者之间因指针切换所造成的短暂的资源视图不一致问题是允许的。

接下来关于RCU一个有趣的问题是：何时才能释放老指针。我见过很多书中对此的'回答是：当系统中所有处理器上都发生了一次进程切换。这种程式化的回答常常让刚接触RCU机制的读者感到一头雾水，为什么非要等所有处理器上都发生一次进程切换才可以调用回调函数释放老指针呢?这其实是RCU的设计规则决定的： 所有对老指针的引用只可能发生在rcu_read_lock与rcu_read_unlock所包括的临界区中，而在这个临界区中不可能发生进程切换，而一旦出了该临界区就不应该再有任何形式的对老指针p的引用。很明显，这个规则要求读取者在临界区中不能发生进程切换，因为一旦有进程切换，释放老指针的回调函数就有可能被调用，从而导致老指针被释放掉，当被切换掉的进程被重新调度运行时它就有可能引用到一个被释放掉的内存空间。

现在我们看到为什么rcu_read_lock只需要关闭内核可抢占性就可以了，因为它使得即便在临界区中发生了中断，当前进程也不可能被切换除去。 内核开发者，确切地说，RCU的设计者所能做的只能到这个程度。接下来就是使用者的责任了，如果在rcu的临界区中调用了一个函数，该函数可能睡眠，那么RCU的设计规则就遭到了破坏，系统将进入一种不稳定的状态。

这再次说明，如果想使用一个东西，一定要搞清楚其内在的机制，象上面刚提到的那个例子，即便现在程序不出现问题，但是系统中留下的隐患如同一个定时炸d， 随时可能被引爆，尤其是过了很长时间问题才突然爆发出来。绝大多数情形下，找到问题所花费的时间可能要远远大于静下心来仔细搞懂RCU的原理要多得多。

RCU中的读取者相对rwlock的读取者而言，自由度更高。因为RCU的读取者在访问一个共享资源时，不需要考虑写入者的感受，这不同于rwlock的写入者，rwlock reader在读取共享资源时需要确保没有写入者在 *** 作该资源。两者之间的差异化源自RCU对共享资源在读取者与写入者之间进行了分离，而rwlock的 读取者和写入者则至始至终只使用共享资源的一份拷贝。这也意味着RCU中的写入者要承担更多的责任，而且对同一共享资源进行更新的多个写入者之间必须引入某种互斥机制，所以RCU属于一种"免锁机制"的说法仅限于读取者与写入者之间。所以我们看到：RCU机制应该用在有大量的读取 *** 作，而更新 *** 作相对较少的情形下。此时RCU可以大大提升系统系能，因为RCU的读取 *** 作相对其他一些有锁机制而言，在锁上的开销几乎没有。

实际使用中，共享的资源常常以链表的形式存在，内核为RCU模式下的链表 *** 作实现了几个接口函数，读取者和使用者应该使用这些内核函数，比如 list_add_tail_rcu, list_add_rcu，hlist_replace_rcu等等，具体的使用可以参考某些内核编程或者设备驱动程序方面的资料。

在释放老指针方面，Linux内核提供两种方法供使用者使用，一个是调用call_rcu,另一个是调用synchronize_rcu。前者是一种异步 方式，call_rcu会将释放老指针的回调函数放入一个结点中，然后将该结点加入到当前正在运行call_rcu的处理器的本地链表中，在时钟中断的 softirq部分(RCU_SOFTIRQ)， rcu软中断处理函数rcu_process_callbacks会检查当前处理器是否经历了一个休眠期(quiescent，此处涉及内核进程调度等方面的内容)，rcu的内核代码实现在确定系统中所有的处理器都经历过了一个休眠期之后(意味着所有处理器上都发生了一次进程切换，因此老指针此时可以被安全释放掉了)，将调用call_rcu提供的回调函数。

synchronize_rcu的实现则利用了等待队列，在它的实现过程中也会向call_rcu那样向当前处理器的本地链表中加入一个结点，与 call_rcu不同之处在于该结点中的回调函数是wakeme_after_rcu，然后synchronize_rcu将在一个等待队列中睡眠，直到系统中所有处理器都发生了一次进程切换，因而wakeme_after_rcu被rcu_process_callbacks所调用以唤醒睡眠的 synchronize_rcu，被唤醒之后，synchronize_rcu知道它现在可以释放老指针了。

所以我们看到，call_rcu返回后其注册的回调函数可能还没被调用，因而也就意味着老指针还未被释放，而synchronize_rcu返回后老指针肯定被释放了。所以，是调用call_rcu还是synchronize_rcu，要视特定需求与当前上下文而定，比如中断处理的上下文肯定不能使用 synchronize_rcu函数了。

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