Linux内核互斥技术1

Linux内核互斥技术

在内核中，可能出现多个进程访问同一个对象、进程和硬中断访问同一个对象、多个处理器访问同一个对象等现象，我们需要使用互斥技术，确保每个时刻只有一个主体可以进入临界区访问对象

如果临界区的执行时间比较长或者可能睡眠，可使用：

1. 信号量，大多数我们使用互斥信号量
2. 读写信号量
3. 互斥锁
4. 实施互斥锁
   申请这些锁的时候，如果锁被其他进程占有，进程将会睡眠等待，代价很高

如果申请临界区的执行时间短，并且不会睡眠，那么使用上面的锁不太合适，因为进程切换代价很高，可以使用：

1. 原子变量
2. 自旋锁
3. 读写自旋锁
4. 顺序锁
   申请这些锁的时候，如果锁被其他进程占有，进程自旋等待（也称忙等待）

进程还可以使用以下技术

1. 禁止内核抢占，防止被当前处理器上的其他进程抢占
2. 禁止软中断，防止被当前处理器上的软中断抢占
3. 禁止硬中断，防止被当前处理器上的硬中断抢占

避免使用锁的互斥技术

1. 每处理器变量
2. 每处理器计数器
3. 内存屏障
4. 读-复制更新
5. 可睡眠RCU

信号量

信号量允许多个进程同时进入临界区，大多情况下只允许一个进程进入临界区，把信号量的计数值设置为1，即二值信号量，也称为互斥信号量
与自旋锁相比，信号量适合保护比较长的临界区，因为竞争信号量时进程可能睡眠被再次唤醒，代价高

struct semaphore {
	raw_spinlock_t		lock; /* 自旋锁，保护信号量其他成员 */
	unsigned int		count; /* 计数器，表示还可以允许多少进程进入临界区 */
	struct list_head	wait_list; /* 等待进入临界区的进程链表 */
};
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读写信号量

struct rw_semaphore {
	atomic_long_t count;
	atomic_long_t owner;
#ifdef CONFIG_RWSEM_SPIN_ON_OWNER
	struct optimistic_spin_queue osq; /* spinner MCS lock */
#endif
	raw_spinlock_t wait_lock; /* 自旋锁，保护信号量其他成员 */
	struct list_head wait_list; /* 等待进入临界区的进程链表 */
#ifdef CONFIG_DEBUG_RWSEMS
	void *magic;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
	struct lockdep_map	dep_map;
#endif
};
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互斥锁

互斥锁只允许一个进程进入临界区，适合保护比较长的临界区，因为竞争互斥锁时进程可能睡眠和再次唤醒，代价很高，尽管可以把二值信号量当作互斥锁使用

struct mutex {
	atomic_long_t		owner;
	spinlock_t		wait_lock;
#ifdef CONFIG_MUTEX_SPIN_ON_OWNER
	struct optimistic_spin_queue osq; /* Spinner MCS lock */
#endif
	struct list_head	wait_list;
#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
	void			*magic;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
	struct lockdep_map	dep_map;
#endif
};
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实时互斥锁

如果使用实时互斥锁，编译内核时需要开启配置宏CONFIG_RT_MUTEXES

struct rt_mutex {
	raw_spinlock_t		wait_lock;
	struct rb_root_cached   waiters;
	struct task_struct	*owner;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
	struct lockdep_map	dep_map;
#endif
};
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原子变量

自旋锁

读写自旋锁

顺序锁

禁止内核抢占

进程和软中断互斥

进程和硬中断互斥

每处理器变量

每处理器计数器

内存屏障

RCU

可睡眠RCU

死锁检测工具