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Linux原子操作与锁

原子操作

Linux 中最简单的同步方法就是原子操作。原子 意味着临界段被包含在 API 函数中。不需要额外的锁定,因为 API 函数已经包含了锁定。由于 C 不能实现原子操作,因此 Linux 依靠底层架构来提供这项功能。各种底层架构存在很大差异,因此原子函数的实现方法也各不相同。一些方法完全通过汇编语言来实现,而另一些方法依靠 c 语言并且使用 local_irq_save 和 local_irq_restore 禁用中断。
当需要保护的数据非常简单时,例如一个计数器,原子运算符是种理想的方法。尽管原理简单,原子 API 提供了许多针对不同情形的运算符。

信号量

信号量的本质也是一个计数器,用来记录对某个资源(如共享内存)的存取状况。用来协调不同进程间的数据对象,最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。
Linux2.6.26下定义的信号量结构体:

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struct semaphore {
spinlock_t lock;
unsigned int count;
struct list_head wait_list;
};

从以上信号量的定义中,可以看到信号量底层使用到了spinlock的锁定机制,这个spinlock主要用来确保对count成员的原子性的操作(count–)和测试(count > 0)。

互斥锁

两种形式的制约关系

间接相互制约关系(互斥)

若某一进程要求使用某种资源,而该资源正好被另一进程使用,并且该资源不允许两个进程同时使用,那么该进程只好等待已占有的资源的进程释放资源后再使用。这种制约关系可以用“进程-资源-进程”的形式表示。例如,打印机资源,进程互斥经典问题中生产者-生产者问题。

直接相互制约关系(同步)

某一进程若收不到另一进程提供的必要信息就不能继续运行下去,表明了两个进程之间在某些点上要交换信息,相互交流运行情况。这种制约关系的进本形式是“进程-进程”。例如生产者与消费者问题,生产者生产产品并放入缓冲池,消费者从缓冲池取走产品进行消费。这两者就是同步关系。

区分互斥和同步只需记住,同类进程即为互斥关系,不同类进程即为同步关系。
临界资源:同时只允许一个进程使用的资源。
临界区:进程中用于访问临界资源的代码段,又称临界段。
每个进程的临界区代码可以不同,临界区代码由于要访问临界资源,因此要在进入临界区之前进行检查,至于每个进程对临界资源进行怎样的操作,这和临界资源及互斥同步管理是无关的。
Linux 2.6.26中mutex的定义:

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struct mutex {
/* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */
atomic_t count;//原子操作类型变量
spinlock_t wait_lock;//自旋锁类型变量
struct list_head wait_list;
#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
struct thread_info *owner;
const char *name;
void *magic;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
struct lockdep_map dep_map;
#endif
};

对比前面的struct semaphore,struct mutex除了增加了几个作为debug用途的成员变量外,和semaphore几乎长得一样。但是mutex的引入主要是为了提供互斥机制,以避免多个进程同时在一个临界区中运行。
可以把互斥锁看成二值信号量。

自旋锁

自旋锁也是实现保护共享资源的一种锁机制,与互斥锁比较类似,都是为了解决对某资源的互斥使用。无论是互斥锁还是自旋锁,在任何时刻最多只有一个保持者。也就是说,任何时刻最多只有一个执行单元获得锁。两者的不同之处是,对于互斥锁而言,如果资源已经被占用,其它的资源申请进程只能进入sleep状态。但是自旋锁不会引起调用者sleep,如果自旋锁已经被别的执行单元保持,调用者就一直循环在等待该自旋锁的保持者是否释放该锁。

自旋锁一般原理

跟互斥锁一样,一个执行单元要想访问被自旋锁保护的共享资源,必须先得到锁,在访问完共享资源后,必须释放锁。如果在获取自旋锁时,没有任何执行单元保持该锁,那么将立即得到锁;如果在获取自旋锁时锁已经有保持者,那么获取锁操作将自旋在那里,直到该自旋锁的保持者释放了锁。由此我们可以看出,自旋锁是一种比较低级的保护数据结构或代码片段的原始方式,这种锁可能存在两个问题:死锁和过多占用cpu资源。

自旋锁适用情况

自旋锁比较适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况,正是由于自旋锁使用者一般保持较短的锁时间,因此选择自选而不是睡眠是非常必要的,因为自旋锁的效率远高于互斥锁。信号量和读写信号量适用于保持时间较长的情况,它们会导致调用者sleep,因此只能在进程上下文使用。而自旋锁适合于保持时间非常短的情况,它可以再任何上下文使用。如果被保护的共享资源只在进程上下文访问,使用信号量保护该共享资源非常合适,如果对共享资源的访问时间非常短,自旋锁也可以。但是如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问(包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断),就必须使用自旋锁。自旋锁保持期间是抢占失效的,而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的。自旋锁只有在内核可抢占或SMP(多处理器)的情况下才真正需要,在单CPU且不可抢占的内核下,自旋锁的所有操作都是空操作。另外格外注意一点:自旋锁不能递归使用。

互斥锁和信号量与自旋锁的区别

信号量。互斥锁允许进程sleep属于睡眠锁,自旋锁不允许调用者sleep,而是让其循环等待

总结

在硬件层面,CPU提供了原子操作、关中断、锁内存总线的机制;OS基于这几个CPU硬件机制,就能够实现锁;再基于锁,就能够实现各种各样的同步机制(信号量等等)。
原子锁不仅提供了一种锁定机制,同时也提供了算术或 bitwise 操作。