Linux核心同步方式剖析-(上)

    本文是從IBM Developerworks上轉載的，的確是很不錯的技術網站，有很多關於linux的文章。這篇討論了 Linux 核心中可用的大量同步或鎖定機制，這些機製為2.6.23版核心的許多可用方法提供了應用程式介面（API）。之前用的類似semTake/Give等函數都是基於這些機制的，當然，在有資料的情況下當然要深入學習一下。

並發和鎖定

    當存在並發特性時，必須使用同步方法。當在同一時間段出現兩個或更多進程並且這些進程彼此互動（例如，共用相同的資源）時，就存在並發現象。

    在單一處理器（uniprocessor，UP）主機上可能發生並發，在這種主機中多個線程共用同一個 CPU 並且搶佔（preemption）建立競態條件。搶佔 通過臨時中斷一個線程以執行另一個線程的方式來實現 CPU 共用。競態條件 發生在兩個或更多線程操縱一個共用資料項目時，其結果取決於執行的時間。在多處理器（MP）電腦中也存在並發，其中每個處理器中共用相同資料的線程同時執行。注意在 MP 情況下存在真正的並行（parallelism），因為線程是同時執行的。而在 UP 情形中，並行是通過搶佔建立的。兩種模式中實現並發都較為困難。

    Linux 核心在兩種模式中都支援並發。核心本身是動態，而且有許多建立競態條件的方法。Linux 核心也支援多處理（multiprocessing），稱為對稱式多處理（SMP）。但是這個對我有點複雜了，考慮以後再找資料寫一下。

    臨界段概念是為解決競態條件問題而產生的，一個臨界段是一段不允許多路訪問的受保護的代碼。這段代碼可以操縱共用資料或共用服務（例如硬體外圍裝置）。臨界段操作時堅持互斥鎖（mutual exclusion）原則（當一個線程處於臨界段中時，其他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結條件。考慮兩個獨立的臨界段，各自保護不同的資源。每個資源擁有一個鎖，在本例中稱為 A 和 B。假設有兩個線程需要訪問這些資源，線程 X 擷取了鎖 A，線程 Y 擷取了鎖 B。當這些鎖都被持有時，每個線程都試圖佔有其他線程當前持有的鎖（線程 X 想要鎖 B，線程 Y 想要鎖 A）。這時候線程就被死結了，因為它們都持有一個鎖而且還想要其他鎖。一個簡單的解決方案就是總是按相同次序擷取鎖，從而使其中一個線程得以完成。還需要其他解決方案檢測這種情形。表 1 定義了此處用到的一些重要的並發術語。

表1、並發中的重要定義

 

Linux 同步方法

    接下來就是關於 Linux 支援並發和互斥鎖的各種方法。在以前，互斥鎖是通過禁用中斷來提供的，但是這種形式的鎖定效率比較低（現在在核心中仍然存在這種用法）。這種方法也不能進行擴充，而且不能保證其他處理器上的互斥鎖。

    在以下關於鎖定機制的討論中，我們首先看一下原子運算子，它可以保護簡單變數（計數器和位元遮罩（bitmask））。然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，我們討論構建在原子 API 上的核心互斥鎖。

原子操作

    Linux 中最簡單的同步方法就是原子操作。原子 意味著臨界段被包含在 API 函數中。不需要額外的鎖定，因為 API 函數已經包含了鎖定。由於 C 不能實現原子操作，因此 Linux 依靠底層架構來提供這項功能。各種底層架構存在很大差異，因此原子函數的實現方法也各不相同。一些方法完全通過組合語言來實現，而另一些方法依靠 c 語言並且使用 local_irq_save 和 local_irq_restore 禁用中斷。這裡還需要提一下舊的鎖定方式，在核心中實現鎖定的一種不太好的方法是通過禁用本地 CPU 的硬中斷。這些函數均可用並且仍得到使用（有時用於原子運算子），但我們並不推薦使用。local_irq_save 常式禁用中斷，而 local_irq_restore 恢複以前啟用過的中斷。這些常式都是可重新進入的（reentrant），也就是說它們可以在其他常式上下文中被調用。

    當需要保護的資料非常簡單時，例如一個計數器，原子運算子是種理想的方法。儘管原理簡單，原子 API 提供了許多針對不同情形的運算子。下面是一個使用此 API 的樣本。

    要聲明一個原子變數（atomic variable），首先聲明一個 atomic_t 類型的變數。這個結構包含了單個 int 元素。接下來，需確保您的原子變數使用 ATOMIC_INIT 符號常量進行了初始化。在清單 1 的情形中，原子計數器被設定為 0。也可以使用 atomic_set function 在運行時對原子變數進行初始化。

清單 1. 建立和初始化原子變數                atomic_t my_counter ATOMIC_INIT(0);... or ...atomic_set( &my_counter, 0 );

    原子 API 支援一個涵蓋許多用例的富函數集。可以使用 atomic_read 讀取原子變數中的內容，也可以使用 atomic_add 為一個變數添加指定值。最常用的操作是使用 atomic_inc 使變數遞增。也可用減號運算子，它的作用與相加和遞增操作相反。清單 2. 示範了這些函數。

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 也支援許多其他常用用例，包括 operate-and-test 常式。這些常式允許對原子變數進行操縱和測試（作為一個原子操作來執行）。一個叫做 atomic_add_negative 的特殊函數被添加到原子變數中，然後當結果值為負數時返回真（true）。這被核心中一些依賴於架構的訊號量函數使用。許多函數都不返回變數的值，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所示。

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 ));

    如果您的架構支援 64 位元長類型（BITS_PER_LONG 是 64 的），那麼可以使用 long_t atomic 操作。可以在 linux/include/asm-generic/atomic.h 中查看可用的長操作（long operation）。

    原子 API 還支援位元遮罩（bitmask）操作。跟前面提到的算術操作不一樣，它只包含設定和清除操作。許多驅動程式使用這些原子操作，特別是 SCSI。位元遮罩原子操作的使用跟算術操作存在細微的差別，因為其中只有兩個可用的操作（設定掩碼和清除掩碼）。使用這些操作前，需要提供一個值和將要進行操作的位元遮罩，如清單 4 所示。

清單 4. 位元遮罩原子函數                unsigned long my_bitmask;atomic_clear_mask( 0, &my_bitmask );atomic_set_mask( (1<<24), &my_bitmask );

自旋鎖

    自旋鎖是使用忙等待鎖來確保互斥鎖的一種特殊方法。如果鎖可用，則擷取鎖，執行互斥鎖動作，然後釋放鎖。如果鎖不可用，線程將忙等待該鎖，直到其可用為止。忙等待看起來效率低下，但它實際上比將線程休眠然後當鎖可用時將其喚醒要快得多。

    自旋鎖只在 SMP 系統中才有用，但是因為您的代碼最終將會在 SMP 系統上運行，將它們添加到 UP 系統是個明智的做法。