Linux內核的同步機制

一、引言

在現代操作系統里，同一時(shí)間可能有多個(gè)內核執行流在執行，因此內核其實(shí)象多進(jìn)程多線(xiàn)程編程一樣也需要一些同步機制來(lái)同步各執行單元對共享數據的訪(fǎng)問(wèn)。尤其是在多處理器系統上，更需要一些同步機制來(lái)同步不同處理器上的執行單元對共享的數據的訪(fǎng)問(wèn)。

在主流的Linux內核中包含了幾乎所有現代的操作系統具有的同步機制，這些同步機制包括：原子操作、信號量（semaphore）、讀寫(xiě)信號量（rw_semaphore）、spinlock、BKL(Big Kernel Lock)、rwlock、brlock（只包含在2.4內核中）、RCU（只包含在2.6內核中）和seqlock（只包含在2.6內核中）。

二、原子操作

所謂原子操作，就是該操作絕不會(huì )在執行完畢前被任何其他任務(wù)或事件打斷，也就說(shuō)，它的最小的執行單位，不可能有比它更小的執行單位，因此這里的原子實(shí)際是使用了物理學(xué)里的物質(zhì)微粒的概念。

原子操作需要硬件的支持，因此是架構相關(guān)的，其API和原子類(lèi)型的定義都定義在內核源碼樹(shù)的include/asm/atomic.h文件中，它們都使用匯編語(yǔ)言實(shí)現，因為C語(yǔ)言并不能實(shí)現這樣的操作。

原子操作主要用于實(shí)現資源計數，很多引用計數(refcnt)就是通過(guò)原子操作實(shí)現的。原子類(lèi)型定義如下：

typedef struct { volatile int counter; } atomic_t;

volatile修飾字段告訴gcc不要對該類(lèi)型的數據做優(yōu)化處理，對它的訪(fǎng)問(wèn)都是對內存的訪(fǎng)問(wèn)，而不是對寄存器的訪(fǎng)問(wèn)。

原子操作API包括：

atomic_read(atomic_t * v);

該函數對原子類(lèi)型的變量進(jìn)行原子讀操作，它返回原子類(lèi)型的變量v的值。

atomic_set(atomic_t * v, int i);

該函數設置原子類(lèi)型的變量v的值為i。

void atomic_add(int i, atomic_t *v);

該函數給原子類(lèi)型的變量v增加值i。

atomic_sub(int i, atomic_t *v);

該函數從原子類(lèi)型的變量v中減去i。

int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);

該函數從原子類(lèi)型的變量v中減去i，并判斷結果是否為0，如果為0，返回真，否則返回假。

void atomic_inc(atomic_t *v);

該函數對原子類(lèi)型變量v原子地增加1。

void atomic_dec(atomic_t *v);

該函數對原子類(lèi)型的變量v原子地減1。

int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);

該函數對原子類(lèi)型的變量v原子地減1，并判斷結果是否為0，如果為0，返回真，否則返回假。

int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);

該函數對原子類(lèi)型的變量v原子地增加1，并判斷結果是否為0，如果為0，返回真，否則返回假。

int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v);

該函數對原子類(lèi)型的變量v原子地增加I，并判斷結果是否為負數，如果是，返回真，否則返回假。

int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);

該函數對原子類(lèi)型的變量v原子地增加i，并且返回指向v的指針。

int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);

該函數從原子類(lèi)型的變量v中減去i，并且返回指向v的指針。

int atomic_inc_return(atomic_t * v);

該函數對原子類(lèi)型的變量v原子地增加1并且返回指向v的指針。

int atomic_dec_return(atomic_t * v);

該函數對原子類(lèi)型的變量v原子地減1并且返回指向v的指針。

原子操作通常用于實(shí)現資源的引用計數，在TCP/IP協(xié)議棧的IP碎片處理中，就使用了引用計數，碎片隊列結構struct ipq描述了一個(gè)IP碎片，字段refcnt就是引用計數器，它的類(lèi)型為atomic_t，當創(chuàng )建IP碎片時(shí)（在函數ip_frag_create中），使用atomic_set函數把它設置為1，當引用該IP碎片時(shí)，就使用函數atomic_inc把引用計數加1。

當不需要引用該IP碎片時(shí)，就使用函數ipq_put來(lái)釋放該IP碎片，ipq_put使用函數atomic_dec_and_test把引用計數減1并判斷引用計數是否為0，如果是就釋放IP碎片。函數ipq_kill把IP碎片從ipq隊列中刪除，并把該刪除的IP碎片的引用計數減1（通過(guò)使用函數atomic_dec實(shí)現）。

三、信號量（semaphore）

Linux內核的信號量在概念和原理上與用戶(hù)態(tài)的System V的IPC機制信號量是一樣的，但是它絕不可能在內核之外使用，因此它與System V的IPC機制信號量毫不相干。

信號量在創(chuàng )建時(shí)需要設置一個(gè)初始值，表示同時(shí)可以有幾個(gè)任務(wù)可以訪(fǎng)問(wèn)該信號量保護的共享資源，初始值為1就變成互斥鎖（Mutex），即同時(shí)只能有一個(gè)任務(wù)可以訪(fǎng)問(wèn)信號量保護的共享資源。

一個(gè)任務(wù)要想訪(fǎng)問(wèn)共享資源，首先必須得到信號量，獲取信號量的操作將把信號量的值減1，若當前信號量的值為負數，表明無(wú)法獲得信號量，該任務(wù)必須掛起在該信號量的等待隊列等待該信號量可用；若當前信號量的值為非負數，表示可以獲得信號量，因而可以立刻訪(fǎng)問(wèn)被該信號量保護的共享資源。

當任務(wù)訪(fǎng)問(wèn)完被信號量保護的共享資源后，必須釋放信號量，釋放信號量通過(guò)把信號量的值加1實(shí)現，如果信號量的值為非正數，表明有任務(wù)等待當前信號量，因此它也喚醒所有等待該信號量的任務(wù)。

信號量的API有：

DECLARE_MUTEX(name)

該宏聲明一個(gè)信號量name并初始化它的值為0，即聲明一個(gè)互斥鎖。

DECLARE_MUTEX_LOCKED(name)

該宏聲明一個(gè)互斥鎖name，但把它的初始值設置為0，即鎖在創(chuàng )建時(shí)就處在已鎖狀態(tài)。因此對于這種鎖，一般是先釋放后獲得。

void sema_init (struct semaphore *sem, int val);

該函用于數初始化設置信號量的初值，它設置信號量sem的值為val。

void init_MUTEX (struct semaphore *sem);

該函數用于初始化一個(gè)互斥鎖，即它把信號量sem的值設置為1。

void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem);

該函數也用于初始化一個(gè)互斥鎖，但它把信號量sem的值設置為0，即一開(kāi)始就處在已鎖狀態(tài)。

void down(struct semaphore * sem);

該函數用于獲得信號量sem，它會(huì )導致睡眠，因此不能在中斷上下文（包括IRQ上下文和softirq上下文）使用該函數。該函數將把sem的值減1，如果信號量sem的值非負，就直接返回，否則調用者將被掛起，直到別的任務(wù)釋放該信號量才能繼續運行。

int down_interruptible(struct semaphore * sem);