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-- Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā) - 內(nèi)核同步技術(shù)
序言
就像我們?cè)诓僮飨到y(tǒng)里學(xué)習(xí)的那樣，如果多個(gè)程序（進(jìn)程或線程）同時(shí)訪問(wèn)臨界區(qū)數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)。存在競(jìng)爭(zhēng)條件的程序會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)料的結(jié)果。消除競(jìng)爭(zhēng)的方法一般就是同步的訪問(wèn)臨界區(qū)數(shù)據(jù)（原子訪問(wèn)）。Linux內(nèi)核提供了多種技術(shù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)內(nèi)核同步操作。下面我們就分別介紹。

內(nèi)核同步技術(shù)
Linux內(nèi)核是多進(jìn)程、多線程的操作系統(tǒng)，它提供了相當(dāng)完整的內(nèi)核同步方法。作為一個(gè)總結(jié)，我們先列出內(nèi)核同步方法列表，這樣我們可以從總體上對(duì)內(nèi)核同步技術(shù)有個(gè)了解，然后我們這分別對(duì)每個(gè)同步技術(shù)做詳細(xì)介紹。

同步技術(shù)	同步技術(shù)描述
自旋鎖
讀寫自旋鎖
信號(hào)量
讀寫信號(hào)量
原子操作
內(nèi)存屏障
完成變量
大內(nèi)核鎖
seq鎖

自旋鎖

鎖機(jī)制是一種廣泛使用的同步技術(shù)，Linux內(nèi)核中最常見(jiàn)的鎖就是自旋鎖（spin lock）。自旋鎖被設(shè)計(jì)工作在多個(gè)處理器上（SMP），它只能被一個(gè)CPU上的一個(gè)進(jìn)程（線程）所持有。它也可以工作在支持搶占的單處理器上。如果另一個(gè)進(jìn)程或線程試圖獲取一個(gè)被持有的自旋鎖，那么它就會(huì)在該鎖上自旋（循環(huán)的執(zhí)行一小段代碼）直到該鎖被釋放。從這個(gè)意義上說(shuō)，自旋鎖是忙等待的，這就會(huì)特別浪費(fèi)處理器的時(shí)間，因此自旋鎖不應(yīng)該被長(zhǎng)時(shí)間持有。對(duì)于單處理器并且不可搶占的內(nèi)核來(lái)說(shuō)，自旋鎖什么也不作。
需要強(qiáng)調(diào)的是，自旋鎖別設(shè)計(jì)用于多處理器的同步機(jī)制，對(duì)于單處理器，內(nèi)核在編譯時(shí)不會(huì)引入自旋鎖機(jī)制，對(duì)于可搶占的內(nèi)核，它僅僅被用于設(shè)置內(nèi)核的搶占機(jī)制是否開啟的一個(gè)開關(guān)，也就是說(shuō)加鎖和解鎖實(shí)際變成了禁止或開啟內(nèi)核搶占功能。如果內(nèi)核不支持搶占，那么自旋鎖根本就不會(huì)編譯到內(nèi)核中。
內(nèi)核中使用spinlock_t類型來(lái)表示自旋鎖，它定義在<linux/spinlock_types.h>：

typedef struct {
raw_spinlock_t raw_lock;
#if defined(CONFIG_PREEMPT) && defined(CONFIG_SMP)
unsigned int break_lock;
#endif
} spinlock_t;

對(duì)于不支持SMP的內(nèi)核來(lái)說(shuō)，struct raw_spinlock_t什么也沒(méi)有，是一個(gè)空結(jié)構(gòu)。對(duì)于支持多處理器的內(nèi)核來(lái)說(shuō)，struct raw_spinlock_t定義為

typedef struct {
unsigned int slock;
} raw_spinlock_t;

slock表示了自旋鎖的狀態(tài)，“1”表示自旋鎖處于解鎖狀態(tài)（UNLOCK），“0”表示自旋鎖處于上鎖狀態(tài)（LOCKED）。
break_lock表示當(dāng)前是否由進(jìn)程在等待自旋鎖，顯然，它只有在支持搶占的SMP內(nèi)核上才起作用。

自旋鎖的實(shí)現(xiàn)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，說(shuō)它復(fù)雜不是因?yàn)樾枰嗌俅a或邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)它，其實(shí)它的實(shí)現(xiàn)代碼很少。自旋鎖的實(shí)現(xiàn)跟體系結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，核心代碼基本也是由匯編語(yǔ)言寫成，與體協(xié)結(jié)構(gòu)相關(guān)的核心代碼都放在相關(guān)的<asm/>目錄下，比如<asm/spinlock.h>。對(duì)于我們驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，我們沒(méi)有必要了解這么spinlock的內(nèi)部細(xì)節(jié)，如果你對(duì)它感興趣，請(qǐng)參考閱讀Linux內(nèi)核源代碼。對(duì)于我們驅(qū)動(dòng)的spinlock接口，我們只需包括<linux/spinlock.h>頭文件。在我們?cè)敿?xì)的介紹spinlock的API之前，我們先來(lái)看看自旋鎖的一個(gè)基本使用格式：

#include <linux/spinlock.h>
spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;

spin_lock(&lock);
....
spin_unlock(&lock);

從使用上來(lái)說(shuō)，spinlock的API還很簡(jiǎn)單的，一般我們會(huì)用的的API如下表，其實(shí)它們都是定義在<linux/spinlock.h>中的宏接口，真正的實(shí)現(xiàn)在<asm/spinlock.h>中

#include <linux/spinlock.h>
SPIN_LOCK_UNLOCKED
DEFINE_SPINLOCK
spin_lock_init( spinlock_t *)
spin_lock(spinlock_t *)
spin_unlock(spinlock_t *)
spin_lock_irq(spinlock_t *)
spin_unlock_irq(spinlock_t *)
spin_lock_irqsace(spinlock_t *，unsigned long flags)
spin_unlock_irqsace(spinlock_t *, unsigned long flags)
spin_trylock(spinlock_t *)
spin_is_locked(spinlock_t *)

初始化

spinlock有兩種初始化形式，一種是靜態(tài)初始化，一種是動(dòng)態(tài)初始化。對(duì)于靜態(tài)的spinlock對(duì)象，我們用 SPIN_LOCK_UNLOCKED來(lái)初始化，它是一個(gè)宏。當(dāng)然，我們也可以把聲明spinlock和初始化它放在一起做，這就是 DEFINE_SPINLOCK宏的工作，因此，下面的兩行代碼是等價(jià)的。

DEFINE_SPINLOCK (lock);
spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;

spin_lock_init 函數(shù)一般用來(lái)初始化動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的spinlock_t對(duì)象，它的參數(shù)是一個(gè)指向spinlock_t對(duì)象的指針。當(dāng)然，它也可以初始化一個(gè)靜態(tài)的沒(méi)有初始化的spinlock_t對(duì)象。

spinlock_t *lock
......
spin_lock_init(lock);

獲取鎖

內(nèi)核提供了三個(gè)函數(shù)用于獲取一個(gè)自旋鎖。
spin_lock：獲取指定的自旋鎖。
spin_lock_irq：禁止本地中斷并獲取自旋鎖。
spin_lock_irqsace：保存本地中斷狀態(tài)，禁止本地中斷并獲取自旋鎖，返回本地中斷狀態(tài)。

自旋鎖是可以使用在中斷處理程序中的，這時(shí)需要使用具有關(guān)閉本地中斷功能的函數(shù)，我們推薦使用 spin_lock_irqsave，因?yàn)樗鼤?huì)保存加鎖前的中斷標(biāo)志，這樣就會(huì)正確恢復(fù)解鎖時(shí)的中斷標(biāo)志。如果spin_lock_irq在加鎖時(shí)中斷是關(guān)閉的，那么在解鎖時(shí)就會(huì)錯(cuò)誤的開啟中斷。

另外兩個(gè)同自旋鎖獲取相關(guān)的函數(shù)是：
spin_trylock()：嘗試獲取自旋鎖，如果獲取失敗則立即返回非0值，否則返回0。
spin_is_locked()：判斷指定的自旋鎖是否已經(jīng)被獲取了。如果是則返回非0，否則，返回0。

釋放鎖

同獲取鎖相對(duì)應(yīng)，內(nèi)核提供了三個(gè)相對(duì)的函數(shù)來(lái)釋放自旋鎖。
spin_unlock：釋放指定的自旋鎖。
spin_unlock_irq：釋放自旋鎖并激活本地中斷。
spin_unlock_irqsave：釋放自旋鎖，并恢復(fù)保存的本地中斷狀態(tài)。

讀寫自旋鎖

如果臨界區(qū)保護(hù)的數(shù)據(jù)是可讀可寫的，那么只要沒(méi)有寫操作，對(duì)于讀是可以支持并發(fā)操作的。對(duì)于這種只要求寫操作是互斥的需求，如果還是使用自旋鎖顯然是無(wú)法滿足這個(gè)要求（對(duì)于讀操作實(shí)在是太浪費(fèi)了）。為此內(nèi)核提供了另一種鎖－讀寫自旋鎖，讀自旋鎖也叫共享自旋鎖，寫自旋鎖也叫排他自旋鎖。
讀寫自旋鎖的使用也普通自旋鎖的使用很類似，首先要初始化讀寫自旋鎖對(duì)象：

// 靜態(tài)初始化
rwlock_t rwlock = RW_LOCK_UNLOCKED;
//動(dòng)態(tài)初始化
rwlock_t *rwlock;
...
rw_lock_init(rwlock);

在讀操作代碼里對(duì)共享數(shù)據(jù)獲取讀自旋鎖：

read_lock(&rwlock);
...
read_unlock(&rwlock);

在寫操作代碼里為共享數(shù)據(jù)獲取寫自旋鎖：

write_lock(&rwlock);
...
write_unlock(&rwlock);

需要注意的是，如果有大量的寫操作，會(huì)使寫操作自旋在寫自旋鎖上而處于寫?zhàn)囸I狀態(tài)（等待讀自旋鎖的全部釋放），因?yàn)樽x自旋鎖會(huì)自由的獲取讀自旋鎖。

讀寫自旋鎖的函數(shù)類似于普通自旋鎖，這里就不一一介紹了，我們把它列在下面的表中。

RW_LOCK_UNLOCKED
rw_lock_init(rwlock_t *)
read_lock(rwlock_t *)
read_unlock(rwlock_t *)
read_lock_irq(rwlock_t *)
read_unlock_irq(rwlock_t *)
read_lock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
read_unlock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
write_lock(rwlock_t *)
write_unlock(rwlock_t *)
write_lock_irq(rwlock_t *)
write_unlock_irq(rwlock_t *)
write_lock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
write_unlock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
rw_is_locked(rwlock_t *)

信號(hào)量（semaphore）

信號(hào)量，或旗標(biāo)，就是我們?cè)诓僮飨到y(tǒng)里學(xué)習(xí)的經(jīng)典的P/V原語(yǔ)操作。
P：如果信號(hào)量值大于0，則遞減信號(hào)量的值，程序繼續(xù)執(zhí)行，否則，睡眠等待信號(hào)量大于0。
V：遞增信號(hào)量的值，如果遞增的信號(hào)量的值大于0，則喚醒等待的進(jìn)程。

信號(hào)量的值確定了同時(shí)可以有多少個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)，如果信號(hào)量的初始值始1，這信號(hào)量就是互斥信號(hào)量（MUTEX）。對(duì)于大于1的非0值信號(hào)量，也可稱為計(jì)數(shù)信號(hào)量（counting semaphore）。對(duì)于一般的驅(qū)動(dòng)程序使用的信號(hào)量都是互斥信號(hào)量。

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