Linux 同步方法剖析--內核原子，自旋鎖和相互排斥鎖

時間 2019-11-21

標籤 linux 同步方法剖析內核原子相互排斥欄目 Linux 简体版

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在學習 Linux® 的過程當中，您或許接觸過併發（concurrency）、臨界段（critical section）和鎖定，但是怎樣在內核中使用這些概念呢？本文討論了 2.6 版內核中可用的鎖定機制，包含原子運算符（atomic operator）、自旋鎖（spinlock）、讀/寫鎖（reader/writer lock）和內核信號量（kernel semaphore）。

本文還探討了每種機制最適合應用到哪些地方。以構建安全高效的內核代碼。html

本文討論了 Linux 內核中可用的大量同步或鎖定機制。這些機制爲 2.6.23 版內核的不少可用方法提供了應用程序接口（API）。但是在深刻學習 API 以前。首先需要明確將要解決的問題。java

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併發和鎖定linux

當存在併發特性時，必須使用同步方法。android

當在同一時間段出現兩個或不少其它進程並且這些進程彼此交互（好比。共享一樣的資源）時，就存在併發現象。shell

在單處理器（uniprocessor。UP）主機上可能發生併發。在這樣的主機中多個線程共享同一個 CPU 並且搶佔（preemption）建立競態條件。搶佔經過暫時中斷一個線程以運行還有一個線程的方式來實現 CPU 共享。api

競態條件 發生在兩個或不少其它線程操縱一個共享數據項時，其結果取決於運行的時間。在多處理器（MP）計算機中也存在併發，當中每個處理器中共享一樣數據的線程同一時候運行。安全

注意在 MP 狀況下存在真正的並行（parallelism）。因爲線程是同一時候運行的。微信

而在 UP 情形中。並行是經過搶佔建立的。兩種模式中實現併發都較爲困難。網絡

Linux 內核在兩種模式中都支持併發。內核自己是動態的，而且有不少建立競態條件的方法。Linux 內核也支持多處理（multiprocessing），稱爲對稱多處理（SMP）。架構

可以在本文後面的參考資料部分學到不少其它關於 SMP 的知識。

臨界段概念是爲解決競態條件問題而產生的。

一個臨界段 是一段不一樣意多路訪問的受保護的代碼。

這段代碼可以操縱共享數據或共享服務（好比硬件外圍設備）。

臨界段操做時堅持相互排斥鎖（mutual exclusion）原則（當一個線程處於臨界段中時，其它所有線程都不能進入臨界段）。

臨界段中需要解決的一個問題是死鎖條件。考慮兩個獨立的臨界段，各自保護不一樣的資源。每個資源擁有一個鎖，在本例中稱爲 A 和 B。若是有兩個線程需要訪問這些資源，線程 X 獲取了鎖 A，線程 Y 獲取了鎖 B。

當這些鎖都被持有時。每個線程都試圖佔有其它線程當前持有的鎖（線程 X 想要鎖 B。線程 Y 想要鎖 A）。

這時候線程就被死鎖了。因爲它們都持有一個鎖而且還想要其它鎖。一個簡單的解決方式就是老是按一樣次序獲取鎖。從而使當中一個線程得以完畢。還需要其它解決方式檢測這樣的情形。表 1 定義了此處用到的一些重要的併發術語。

表 1. 併發中的重要定義

術語	定義
競態條件	兩個或不少其它線程同一時候操做資源時將會致使不一致的結果。
臨界段	用於協調對共享資源的訪問的代碼段。
相互排斥鎖	確保對共享資源進行排他訪問的軟件特性。
死鎖	由兩個或不少其它進程和資源鎖致使的一種特殊情形。將會減小進程的工做效率。

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Linux 同步方法

假設您瞭解了一些基本理論而且明確了需要解決的問題。接下來將學習 Linux 支持併發和相互排斥鎖的各類方法。在曾經，相互排斥鎖是經過禁用中斷來提供的，但是這樣的形式的鎖定效率比較低（現在在內核中仍然存在這樣的使用方法）。

這樣的方法也不能進行擴展，而且不能保證其它處理器上的相互排斥鎖。

在下面關於鎖定機制的討論中，咱們首先看一下原子運算符，它可以保護簡單變量（計數器和位掩碼（bitmask））。

而後介紹簡單的自旋鎖和讀/寫鎖，它們構成了一個 SMP 架構的忙等待鎖（busy-wait lock）覆蓋。最後。咱們討論構建在原子 API 上的內核相互排斥鎖。

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原子操做

Linux 中最簡單的同步方法就是原子操做。原子意味着臨界段被包括在 API 函數中。不需要額外的鎖定，因爲 API 函數已經包括了鎖定。因爲 C 不能實現原子操做，所以 Linux 依靠底層架構來提供這項功能。各類底層架構存在很是大差別，所以原子函數的實現方法也各不一樣樣。一些方法全然經過彙編語言來實現，而還有一些方法依靠 c 語言並且使用 local_irq_save 和 local_irq_restore 禁用中斷。

舊的鎖定方法
在內核中實現鎖定的一種不太好的方法是經過禁用本地 CPU 的硬中斷。這些函數都可用並且仍獲得使用（有時用於原子運算符）。但咱們並不推薦使用。local_irq_save 例程禁用中斷，而 local_irq_restore 恢復曾經啓用過的中斷。這些例程都是可重入的（reentrant）。也就是說它們可以在其它例程上下文中被調用。

當需要保護的數據很easy時。好比一個計數器，原子運算符是種理想的方法。雖然原理簡單，原子 API 提供了不少針對不一樣情形的運算符。如下是一個使用此 API 的演示樣例。

要聲明一個原子變量（atomic variable），首先聲明一個 atomic_t 類型的變量。

這個結構包括了單個 int 元素。接下來，需確保您的原子變量使用 ATOMIC_INIT 符號常量進行了初始化。在清單 1 的情形中，原子計數器被設置爲 0。也可以使用 atomic_set function 在執行時對原子變量進行初始化。

清單 1. 建立和初始化原子變量

                
atomic_t my_counter ATOMIC_INIT(0);

... or ...

atomic_set( &my_counter, 0 );

原子 API 支持一個涵蓋不少用例的富函數集。可以使用 atomic_read 讀取原子變量中的內容，也可以使用 atomic_add 爲一個變量加入指定值。最常用的操做是使用 atomic_inc 使變量遞增。

也可用減號運算符，它的做用與相加和遞增操做相反。

清單 2. 演示了這些函數。

清單 2. 簡單的算術原子函數

                
val = atomic_read( &my_counter );

atomic_add( 1, &my_counter );

atomic_inc( &my_counter );

atomic_sub( 1, &my_counter );

atomic_dec( &my_counter );

該 API 也支持更多常用用例，包含 operate-and-test 例程。這些例程贊成對原子變量進行操縱和測試（做爲一個原子操做來運行）。一個叫作 atomic_add_negative 的特殊函數被加入到原子變量中。而後當結果值爲負數時返回真（true）。這被內核中一些依賴於架構的信號量函數使用。

不少函數都不返回變量的值。但兩個函數除外。

它們會返回結果值（ atomic_add_return 和 atomic_sub_return），如清單 3所看到的。

清單 3. Operate-and-test 原子函數

                
if (atomic_sub_and_test( 1, &my_counter )) {
  // my_counter is zero
}

if (atomic_dec_and_test( &my_counter )) {
  // my_counter is zero
}

if (atomic_inc_and_test( &my_counter )) {
  // my_counter is zero
}

if (atomic_add_negative( 1, &my_counter )) {
  // my_counter is less than zero
}

val = atomic_add_return( 1, &my_counter ));

val = atomic_sub_return( 1, &my_counter ));

假設您的架構支持 64 位長類型（BITS_PER_LONG 是 64 的），那麼可以使用 long_t atomic 操做。可以在 linux/include/asm-generic/atomic.h 中查看可用的長操做（long operation）。

原子 API 還支持位掩碼（bitmask）操做。跟前面提到的算術操做不同，它僅僅包括設置和清除操做。不少驅動程序使用這些原子操做，特別是 SCSI。位掩碼原子操做的使用跟算術操做存在細微的區別。因爲當中僅僅有兩個可用的操做（設置掩碼和清除掩碼）。使用這些操做前，需要提供一個值和將要進行操做的位掩碼，如清單 4 所看到的。

清單 4. 位掩碼原子函數

                
unsigned long my_bitmask;

atomic_clear_mask( 0, &my_bitmask );

atomic_set_mask( (1<<24), &my_bitmask );

原子 API 原型
原子操做依賴於架構。可以在 ./linux/include/asm-<arch>/atomic.h 中找到。

自旋鎖

自旋鎖是使用忙等待鎖來確保相互排斥鎖的一種特殊方法。假設鎖可用。則獲取鎖，運行相互排斥鎖動做，而後釋放鎖。

假設鎖不可用，線程將忙等待該鎖。直到其可用爲止。忙等待看起來效率低下，但它實際上比將線程休眠而後當鎖可用時將其喚醒要快得多。

自旋鎖僅僅在 SMP 系統中才實用。但是因爲您的代碼終於將會在 SMP 系統上執行。將它們加入到 UP 系統是個明智的作法。

自旋鎖有兩種可用的形式：全然鎖（full lock）和讀寫鎖。首先看一下全然鎖。

首先經過一個簡單的聲明建立一個新的自旋鎖。這可以經過調用 spin_lock_init 進行初始化。清單 5 中顯示的每個變量都會實現一樣的結果。

清單 5. 建立和初始化自旋鎖

                
spinlock_t my_spinlock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;

... or ...

DEFINE_SPINLOCK( my_spinlock );

... or ...

spin_lock_init( &my_spinlock );

定義了自旋鎖以後，就可以使用大量的鎖定變量了。

每個變量用於不一樣的上下文。

清單 6 中顯示了 spin_lock 和 spin_unlock 變量。這是一個最簡單的變量，它不會運行中斷禁用，但是包括全部的內存壁壘（memory barrier）。

這個變量假定中斷處理程序和該鎖之間沒有交互。

清單 6. 自旋鎖 lock 和 unlock 函數

                
                spin_lock( &my_spinlock );

// critical section

spin_unlock( &my_spinlock );

接下來是 irqsave 和 irqrestore 對，如清單 7 所看到的。

spin_lock_irqsave 函數需要自旋鎖，並且在本地處理器（在 SMP 情形中）上禁用中斷。spin_unlock_irqrestore 函數釋放自旋鎖，並且（經過 flags 參數）恢復中斷。

清單 7. 自旋鎖變量，當中禁用了本地 CPU 中斷

                
                spin_lock_irqsave( &my_spinlock, flags );

// critical section

spin_unlock_irqrestore( &my_spinlock, flags );

spin_lock_irqsave/spin_unlock_irqrestore 的一個不太安全的變體是 spin_lock_irq/spin_unlock_irq。我建議不要使用此變體。因爲它會若是中斷狀態。

最後，假設內核線程經過 bottom half 方式共享數據，那麼可以使用自旋鎖的還有一個變體。

bottom half 方法可以將設備驅動程序中的工做延遲到中斷處理後執行。這樣的自旋鎖禁用了本地 CPU 上的軟中斷。這可以阻止 softirq、tasklet 和 bottom half 在本地 CPU 上執行。這個變體如清單 8 所看到的。

清單 8. 自旋鎖函數實現 bottom-half 交互

                
                spin_lock_bh( &my_spinlock );

// critical section

spin_unlock_bh( &my_spinlock );

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讀/寫鎖

在不少情形下，對數據的訪問是由大量的讀和少許的寫操做來完畢的（讀取數據比寫入數據更常見）。讀/寫鎖的建立就是爲了支持這樣的模型。這個模型有趣的地方在於贊成多個線程同一時候訪問一樣數據。但同一時刻僅僅贊成一個線程寫入數據。

假設運行寫操做的線程持有此鎖，則臨界段不能由其它線程讀取。假設一個運行讀操做的線程持有此鎖，那麼多個讀線程都可以進入臨界段。

清單 9 演示了這個模型。

清單 9. 讀/寫自旋鎖函數

                
rwlock_t my_rwlock;

rwlock_init( &my_rwlock );

write_lock( &my_rwlock );

// critical section -- can read and write

write_unlock( &my_rwlock );


read_lock( &my_rwlock );

// critical section -- can read only

read_unlock( &my_rwlock );

依據對鎖的需求，還針對 bottom half 和中斷請求（IRQ）對讀/寫自旋鎖進行了改動。顯然，假設您使用的是原版的讀/寫鎖，那麼依照標準自旋鎖的使用方法使用這個自旋鎖。而不區分讀線程和寫線程。

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內核相互排斥鎖

在內核中可以使用相互排斥鎖來實現信號量行爲。內核相互排斥鎖是在原子 API 之上實現的。但這對於內核用戶是不可見的。相互排斥鎖很是easy。但是有一些規則必須牢記。同一時間僅僅能有一個任務持有相互排斥鎖。並且僅僅有這個任務可以對相互排斥鎖進行解鎖。相互排斥鎖不能進行遞歸鎖定或解鎖。並且相互排斥鎖可能不能用於交互上下文。但是相互排斥鎖比當前的內核信號量選項更快，並且更加緊湊，所以假設它們知足您的需求。那麼它們將是您明智的選擇。

可以經過 DEFINE_MUTEX 宏使用一個操做建立和初始化相互排斥鎖。這將建立一個新的相互排斥鎖並初始化其結構。可以在 ./linux/include/linux/mutex.h 中查看該實現。

                DEFINE_MUTEX( my_mutex );

相互排斥鎖 API 提供了 5 個函數：當中 3 個用於鎖定。一個用於解鎖。還有一個用於測試相互排斥鎖。首先看一下鎖定函數。

在需要立刻鎖定以及但願在相互排斥鎖不可用時掌握控制的情形下。可以使用第一個函數 mutex_trylock。該函數如清單 10 所看到的。

清單 10. 嘗試使用 mutex_trylock 得到相互排斥鎖

                
ret = mutex_trylock( &my_mutex );
if (ret != 0) {
  // Got the lock!
} else {
  // Did not get the lock
}

假設想等待這個鎖。可以調用 mutex_lock。這個調用在相互排斥鎖可用時返回，不然，在相互排斥鎖鎖可用以前它將休眠。

無論在哪一種情形中。當控制被返回時，調用者將持有相互排斥鎖。最後，當調用者休眠時使用 mutex_lock_interruptible。

在這樣的狀況下，該函數可能返回 -EINTR。

清單 11 中顯示了這兩種調用。

清單 11. 鎖定一個可能處於休眠狀態的相互排斥鎖

                
                mutex_lock( &my_mutex );

// Lock is now held by the caller.

if (mutex_lock_interruptible( &my_mutex ) != 0)  {

  // Interrupted by a signal, no mutex held

}

當一個相互排斥鎖被鎖定後，它必須被解鎖。這是由 mutex_unlock 函數來完畢的。這個函數不能從中斷上下文調用。

最後。可以經過調用 mutex_is_locked 檢查相互排斥鎖的狀態。

這個調用實際上編譯成一個內聯函數。假設相互排斥鎖被持有（鎖定），那麼就會返回 1；不然。返回 0。清單 12 演示了這些函數。

清單 12. 用 mutex_is_locked 測試相互排斥鎖鎖

                
                mutex_unlock( &my_mutex );

if (mutex_is_locked( &my_mutex ) == 0) {

  // Mutex is unlocked

}

相互排斥鎖 API 存在着自身的侷限性，因爲它是基於原子 API 的。

但是其效率比較高，假設能知足你的需要，仍是可以使用的。

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大內核鎖（Big kernel lock）

最後看一下大內核鎖（BLK）。它在內核中的用途愈來愈小，但是仍然有一些保留下來的使用方法。BKL 使多處理器 Linux 成爲可能。但是細粒度（finer-grained）鎖正在慢慢代替 BKL。BKL 經過 lock_kernel 和 unlock_kernel 函數提供。要得到不少其它信息。請查看 ./linux/lib/kernel_lock.c。

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結束語

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Linux 性能非凡，其鎖定方法也同樣。

原子鎖不只提供了一種鎖定機制。同一時候也提供了算術或 bitwise 操做。

自旋鎖提供了一種鎖定機制（主要應用於 SMP），而且讀/寫自旋鎖贊成多個讀線程且僅有一個寫線程得到給定的鎖。

最後。相互排斥鎖是一種新的鎖定機制，提供了一種構建在原子之上的簡單 API。不管你需要什麼，Linux 都會提供一種鎖定方案保護您的數據。

參考資料

學習

您可以參閱本文在 developerWorks 全球網站上的英文原文。
查閱 developerWorks 上 Tim 的所有 Anatomy of... 文章。
「Linux 和對稱多處理」（developerWorks，2007 年 3 月）探討了使用 SMP 進行多處理和開發 Linux 應用程序的思想。引入 SMP 以後。鎖定機制就變得更加劇要了。
Rusty Russell 的 Unreliable Guide to Locking 討論了關於 Linux 內核鎖定的一個早期的話題。
在 LWN.net 上查閱「The Big Kernel Lock lives on」，瞭解爲何大內核鎖在 Linux 內核中仍然佔有一席之地。
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關於做者

M. Tim Jones 是一名嵌入式軟件project師，他是 GNU/Linux Application Programming、AI Application Programming 以及 BSD Sockets Programming from a Multilanguage Perspective 等書的做者。

他的project背景很普遍。從同步宇宙飛船的內核開發到嵌入式架構設計，再到網絡協議的開發。Tim 是位於科羅拉多州 Longmont 的 Emulex Corp. 的一名顧問project師。