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linux自旋鎖和互斥體

2.5　核心中的并發

随着多核筆記本電腦時代的到來，對稱多處理器（SMP）的使用不再被限于高科技使用者。SMP和核心搶占是多線程執行的兩種場景。多個線程能夠同時操作共享的核心資料結構，是以，對這些資料結構的通路必須被串行化。

接下來，我們會讨論并發通路情況下保護共享核心資源的基本概念。我們以一個簡單的例子開始，并逐漸引入中斷、核心搶占和SMP等複雜概念。

2.5.1　自旋鎖和互斥體

通路共享資源的代碼區域稱作臨界區。自旋鎖（spinlock）和互斥體（mutex，mutual exclusion的縮寫）是保護核心臨界區的兩種基本機制。我們逐個分析。

自旋鎖可以確定在同時隻有一個線程進入臨界區。其他想進入臨界區的線程必須不停地原地打轉，直到第1個線程釋放自旋鎖。注意：這裡所說的線程不是核心線程，而是執行的線程。

下面的例子示範了自旋鎖的基本用法：

     
  1.  #include <linux/spinlock.h>        
    2.       
  2.  spinlock_t mylock = SPIN_LOCK_UNLOCKED; /* Initialize */         
    3.           
  3.  /* Acquire the spinlock. This is inexpensive if there         
    4.       
  4.   * is no one inside the critical section. In the face of         
    5.       
  5.   * contention, spinlock() has to busy-wait.         
    6.       
  6.   */         
    7.       
  7.  spin_lock(&mylock);         
    8.           
  8.  /* ... Critical Section code ... */         
    9.           
  9.  spin_unlock(&mylock); /* Release the lock */        
    10.

與自旋鎖不同的是，互斥體在進入一個被占用的臨界區之前不會原地打轉，而是使目前線程進入睡眠狀态。如果要等待的時間較長，互斥體比自旋鎖更合适，因為自旋鎖會消耗CPU資源。在使用互斥體的場合，多于2次程序切換時間都可被認為是長時間，是以一個互斥體會引起本線程睡眠，而當其被喚醒時，它需要被切換回來。

是以，在很多情況下，決定使用自旋鎖還是互斥體相對來說很容易：

(1) 如果臨界區需要睡眠，隻能使用互斥體，因為在獲得自旋鎖後進行排程、搶占以及在等待隊列上睡眠都是非法的；

(2) 由于互斥體會在面臨競争的情況下将目前線程置于睡眠狀态，是以，在中斷處理函數中，隻能使用自旋鎖。（第4章将介紹更多的關于中斷上下文的限制。）

下面的例子示範了互斥體使用的基本方法：

     
  1.  #include <linux/mutex.h>        
    2.           
  2.  /* Statically declare a mutex. To dynamically         
    3.       
  3.     create a mutex, use mutex_init() */         
    4.       
  4.  static DEFINE_MUTEX(mymutex);         
    5.           
  5.  /* Acquire the mutex. This is inexpensive if there         
    6.       
  6.   * is no one inside the critical section. In the face of         
    7.       
  7.   * contention, mutex_lock() puts the calling thread to sleep.         
    8.       
  8.   */         
    9.       
  9.  mutex_lock(&mymutex);         
    10.           
  10.  /* ... Critical Section code ... */         
    11.           
  11.  mutex_unlock(&mymutex);      /* Release the mutex */        
    12.

為了論證并發保護的用法，我們首先從一個僅存在于程序上下文的臨界區開始，并以下面的順序逐漸增加複雜性：

(1) 非搶占核心，單CPU情況下存在于程序上下文的臨界區；

(2) 非搶占核心，單CPU情況下存在于程序和中斷上下文的臨界區；

(3) 可搶占核心，單CPU情況下存在于程序和中斷上下文的臨界區；

(4) 可搶占核心，SMP情況下存在于程序和中斷上下文的臨界區。

舊的信号量接口

互斥體接口代替了舊的信号量接口（semaphore）。互斥體接口是從-rt樹演化而來的，在2.6.16核心中被融入主線核心。

盡管如此，但是舊的信号量仍然在核心和驅動程式中廣泛使用。信号量接口的基本用法如下：

     
  1.  #include <asm/semaphore.h>  /* Architecture dependent header */         
    2.           
  2.  /* Statically declare a semaphore. To dynamically         
    3.       
  3.     create a semaphore, use init_MUTEX() */         
    4.       
  4.  static DECLARE_MUTEX(mysem);         
    5.           
  5.  down(&mysem);    /* Acquire the semaphore */         
    6.           
  6.  /* ... Critical Section code ... */         
    7.           
  7.  up(&mysem);      /* Release the semaphore */        
    8.

信号量可以被配置為允許多個預定數量的線程同時進入臨界區，但是，這種用法非常罕見。

1. 案例1：程序上下文，單CPU，非搶占核心

這種情況最為簡單，不需要加鎖，是以不再贅述。

2. 案例2：程序和中斷上下文，單CPU，非搶占核心

在這種情況下，為了保護臨界區，僅僅需要禁止中斷。如圖2-4所示，假定程序上下文的執行單元A、B以及中斷上下文的執行單元C都企圖進入相同的臨界區。

linux自旋鎖和互斥體
（點選檢視大圖）圖2-4　程序和中斷上下文進入臨界區

由于執行單元C總是在中斷上下文執行，它會優先于執行單元A和B，是以，它不用擔心保護的問題。執行單元A和B也不必關心彼此會被互相打斷，因為核心是非搶占的。是以，執行單元A和B僅僅需要擔心C會在它們進入臨界區的時候強行進入。為了實作此目的，它們會在進入臨界區之前禁止中斷：

     
  1.  Point A：             
    2.       
  2.    local_irq_disable();  /* Disable Interrupts in local CPU */         
    3.       
  3.    /* ... Critical Section ...  */         
    4.       
  4.    local_irq_enable();   /* Enable Interrupts in local CPU */        
    5.

但是，如果當執行到Point A的時候已經被禁止，local_irq_enable()将産生副作用，它會重新使能中斷，而不是恢複之前的中斷狀态。可以這樣修複它：

     
  1.  unsigned long flags;         
    2.           
  2.  Point A:         
    3.       
  3.    local_irq_save(flags);     /* Disable Interrupts */         
    4.       
  4.    /* ... Critical Section ... */         
    5.       
  5.    local_irq_restore(flags);  /* Restore state to what it was at Point A */        
    6.

不論Point A的中斷處于什麼狀态，上述代碼都将正确執行。

3. 案例3：程序和中斷上下文，單CPU，搶占核心

如果核心使能了搶占，僅僅禁止中斷将無法確定對臨界區的保護，因為另一個處于程序上下文的執行單元可能會進入臨界區。重新回到圖2-4，現在，除了C以外，執行單元A和B必須提防彼此。顯而易見，解決該問題的方法是在進入臨界區之前禁止核心搶占、中斷，并在退出臨界區的時候恢複核心搶占和中斷。是以，執行單元A和B使用了自旋鎖API的irq變體：

     
  1.  unsigned long flags;         
    2.           
  2.  Point A:         
    3.       
  3.    /* Save interrupt state.         
    4.       
  4.     * Disable interrupts - this implicitly disables preemption */         
    5.       
  5.    spin_lock_irqsave(&mylock, flags);         
    6.           
  6.    /* ... Critical Section ... */         
    7.           
  7.    /* Restore interrupt state to what it was at Point A */         
    8.       
  8.    spin_unlock_irqrestore(&mylock, flags);        
    9.

我們不需要在最後顯示地恢複Point A的搶占狀态，因為核心自身會通過一個名叫搶占計數器的變量維護它。在搶占被禁止時（通過調用preempt_disable()），計數器值會增加；在搶占被使能時（通過調用preempt_enable()），計數器值會減少。隻有在計數器值為0的時候，搶占才發揮作用。

4. 案例4：程序和中斷上下文，SMP機器，搶占核心

現在假設臨界區執行于SMP機器上，而且你的核心配置了CONFIG_SMP和CONFIG_PREEMPT。

到目前為止讨論的場景中，自旋鎖原語發揮的作用僅限于使能和禁止搶占和中斷，時間的鎖功能并未被完全編譯進來。在SMP機器内，鎖邏輯被編譯進來，而且自旋鎖原語確定了SMP安全性。SMP使能的含義如下：

     
  1.  unsigned long flags;         
    2.           
  2.  Point A:         
    3.       
  3.    /*         
    4.       
  4.      - Save interrupt state on the local CPU         
    5.       
  5.      - Disable interrupts on the local CPU. This     implicitly disables preemption.         
    6.       
  6.      - Lock the section to regulate access by other CPUs         
    7.       
  7.     */         
    8.       
  8.    spin_lock_irqsave(&mylock, flags);         
    9.           
  9.    /* ... Critical Section ... */         
    10.           
  10.    /*         
    11.       
  11.      - Restore interrupt state and preemption to what it         
    12.       
  12.        was at Point A for the local CPU         
    13.       
  13.      - Release the lock         
    14.       
  14.     */         
    15.       
  15.    spin_unlock_irqrestore(&mylock, flags);        
    16.

在SMP系統上，擷取自旋鎖時，僅僅本CPU上的中斷被禁止。是以，一個程序上下文的執行單元（圖2-4中的執行單元A）在一個CPU上運作的同時，一個中斷處理函數（圖2-4中的執行單元C）可能運作在另一個CPU上。非本CPU上的中斷處理函數必須自旋等待本CPU上的程序上下文代碼退出臨界區。中斷上下文需要調用spin_lock()/spin_unlock()：

     
  1.  spin_lock(&mylock);         
    2.           
  2.  /* ... Critical Section ... */         
    3.           
  3.  spin_unlock(&mylock);        
    4.

除了有irq變體以外，自旋鎖也有底半部（BH）變體。在鎖被擷取的時候，spin_lock_bh()會禁止底半部，而spin_unlock_bh()則會在鎖被釋放時重新使能底半部。我們将在第4章讨論底半部。

-rt樹

實時（-rt）樹，也被稱作CONFIG_PREEMPT_RT更新檔集，實作了核心中一些針對低延時的修改。該更新檔集可以從www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt下載下傳，它允許核心的大部分位置可被搶占，但是用互斥體代替了一些自旋鎖。它也合并了一些高精度的定時器。數個-rt功能已經被融入了主線核心。詳細的文檔見http://rt.wiki.kernel.org/。

為了提高性能，核心也定義了一些針對特定環境的特定的鎖原語。使能适用于代碼執行場景的互斥機制将使代碼更高效。下面來看一下這些特定的互斥機制。

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