linux内核解析之内核同步机制

本文讲述了linux内核中常见的同步机制，使读者掌握每处理器变量和rcu这两种新的同步机制。

内核同步机制 

内核同步主要是同步各执行单元对共享数据的访问，尤其是多处理器的同步。 Linux2.6中内核同步机制主要包括以下几种：原子操作、信号量(semaphore)、读写信号量(rw_semaphore)、自旋锁(spinlock)、大内核锁(BKL)等。 

(1)原子操作  

原子操作就是指某一个操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。原子操作需要硬件的支持，与体系结构相关，使用汇编语言实现。  原子操作主要用于实现资源计数，很多引用计数就是通过原子操作实现。Linux中提供了两种原子操作接口，分别是原子整数操作和原子位操作。

原子整数操作只对atomic_t类型的数据进行操作，不能对C语言的int进行操作，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。  原子位操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操作。它只是针对普通指针的操作，不需要定义一个与该操作相对应的数据类型。 

(2)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操作，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中不会进行自旋锁操作。 linux上的自旋锁有三种实现： 

a. 在单cpu，不可抢占内核中，自旋锁为空操作。 

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。 

(3)读/写自旋锁 

Linux中规定，读/写自旋锁允许多个线程同时以只读的方式访问临界资源，只有当一个线程想更新数据时，才会互斥访问资源。读写自旋锁包括一个24位读者计数和一个解锁标记来实现的。 

(4)信号量  

Linux中提供了两种信号量： 

a. 内核信号量，由内核程序使用 

b. System V IPC 信号量，由用户进程使用 

当一个线程去请求以不可用的信号量时，和自旋锁不同，该进程会进入睡眠(不再占用CPU)，加入到等待队列中，直到被唤醒，所以只有可睡眠的状态才可以使用信号量。 信号量实现的结构体semphore中有一变量count计数。根据count取值的设定，信号量可以分为二元信号量和计数信号量，当count初值为1时，则为二元信号量。计数信号量允许任意数量的锁持有者，这点和自旋锁是不同的(自旋锁只允许一个)。 

(5)读/写信号量 

读写信号量实际上对于读者使用的是一个计数信号量，写者使用的是二元信号量。读写信号量同读写自旋锁一样提高了内核的并发度。 

Linux内核时按照先进先出(FIFO)的顺序来处理等待读写信号量的进程。具体过程是如果一个进程试图获取一个不可用的信号量时，加入到等待队列的末尾，当信号量可用时，内核首先唤醒等待队列的第一个进程，如果该进程为写进程，那么该进程获得信号量。如果该进程如果为一个读进程，那么其后的所有的读进程都可以被唤醒并获得信号量，但是中间不能跳跃。 

(6)BKL(Big Kernel Lock) 

BKL即全局内核锁，也称大内核锁，它是一个全局自旋锁。大内核锁也是用来保护临界区资源的，避免出现多个处理器上的进程同时访问同一区域，整个内核中只有一个大内核锁。  BKL是一个名为kernel_flag的自旋锁，持有该锁的进程仍可以睡眠，当睡眠时持有的锁将被自动释放，该进程被唤醒时重新持有该锁。Linux允许一个进程可以递归的持有BKL，BKL是一个递归锁。 

它的设计思想是，一旦某个内核路径获取了这把锁，那么其他所有的内核路径都不能再获取到这把锁。 自旋锁加锁的对象一般是一个全局变量，大内核锁加锁的对象是一段代码，里面可能包含多个全局变量。 那么他带来的问题是，虽然A只需要互斥访问全局变量a，但附带锁了全局变量b，从而导致B不能访问b了 

(7)屏障 

屏障或称内存屏障，是用来解决内存同步问题的，具体为对由于编译器的优化和缓存的使用，导致对内存的写入操作不能及时的反应出来，也就是说当完成对内存的写入操作之后，读取出来的可能是旧的内容的一种解决机制。 

内存屏障分类： 

a.编译器引起的内存屏障 b.缓存引起的内存屏障 c.乱序执行引起的内存屏障