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序言
就像我們在操作系統里學習的那樣，如果多個程序（進程或線程）同時訪問臨界區數據就會發生競爭。存在競爭條件的程序會產生不可預料的結果。消除競爭的方法一般就是同步的訪問臨界區數據（原子訪問）。Linux內核提供了多種技術用來實現內核同步操作。下面我們就分別介紹。

內核同步技術
Linux內核是多進程、多線程的操作系統，它提供了相當完整的內核同步方法。作為一個總結，我們先列出內核同步方法列表，這樣我們可以從總體上對內核同步技術有個了解，然后我們這分別對每個同步技術做詳細介紹。

同步技術	同步技術描述
自旋鎖
讀寫自旋鎖
信號量
讀寫信號量
原子操作
內存屏障
完成變量
大內核鎖
seq鎖

自旋鎖

鎖機制是一種廣泛使用的同步技術，Linux內核中最常見的鎖就是自旋鎖（spin lock）。自旋鎖被設計工作在多個處理器上（SMP），它只能被一個CPU上的一個進程（線程）所持有。它也可以工作在支持搶占的單處理器上。如果另一個進程或線程試圖獲取一個被持有的自旋鎖，那么它就會在該鎖上自旋（循環的執行一小段代碼）直到該鎖被釋放。從這個意義上說，自旋鎖是忙等待的，這就會特別浪費處理器的時間，因此自旋鎖不應該被長時間持有。對于單處理器并且不可搶占的內核來說，自旋鎖什么也不作。
需要強調的是，自旋鎖別設計用于多處理器的同步機制，對于單處理器，內核在編譯時不會引入自旋鎖機制，對于可搶占的內核，它僅僅被用于設置內核的搶占機制是否開啟的一個開關，也就是說加鎖和解鎖實際變成了禁止或開啟內核搶占功能。如果內核不支持搶占，那么自旋鎖根本就不會編譯到內核中。
內核中使用spinlock_t類型來表示自旋鎖，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;

對于不支持SMP的內核來說，struct raw_spinlock_t什么也沒有，是一個空結構。對于支持多處理器的內核來說，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，“1”表示自旋鎖處于解鎖狀態（UNLOCK），“0”表示自旋鎖處于上鎖狀態（LOCKED）。
break_lock表示當前是否由進程在等待自旋鎖，顯然，它只有在支持搶占的SMP內核上才起作用。

自旋鎖的實現是一個復雜的過程，說它復雜不是因為需要多少代碼或邏輯來實現它，其實它的實現代碼很少。自旋鎖的實現跟體系結構關系密切，核心代碼基本也是由匯編語言寫成，與體協結構相關的核心代碼都放在相關的<asm/>目錄下，比如<asm/spinlock.h>。對于我們驅動程序開發人員來說，我們沒有必要了解這么spinlock的內部細節，如果你對它感興趣，請參考閱讀Linux內核源代碼。對于我們驅動的spinlock接口，我們只需包括<linux/spinlock.h>頭文件。在我們詳細的介紹spinlock的API之前，我們先來看看自旋鎖的一個基本使用格式：

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

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

從使用上來說，spinlock的API還很簡單的，一般我們會用的的API如下表，其實它們都是定義在<linux/spinlock.h>中的宏接口，真正的實現在<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，一種是靜態初始化，一種是動態初始化。對于靜態的spinlock對象，我們用 SPIN_LOCK_UNLOCKED來初始化，它是一個宏。當然，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的。

DEFINE_SPINLOCK (lock);
spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;

spin_lock_init 函數一般用來初始化動態創建的spinlock_t對象，它的參數是一個指向spinlock_t對象的指針。當然，它也可以初始化一個靜態的沒有初始化的spinlock_t對象。

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

獲取鎖

內核提供了三個函數用于獲取一個自旋鎖。
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，禁止本地中斷并獲取自旋鎖，返回本地中斷狀態。

自旋鎖是可以使用在中斷處理程序中的，這時需要使用具有關閉本地中斷功能的函數，我們推薦使用 spin_lock_irqsave，因為它會保存加鎖前的中斷標志，這樣就會正確恢復解鎖時的中斷標志。如果spin_lock_irq在加鎖時中斷是關閉的，那么在解鎖時就會錯誤的開啟中斷。

另外兩個同自旋鎖獲取相關的函數是：
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

同獲取鎖相對應，內核提供了三個相對的函數來釋放自旋鎖。
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，并恢復保存的本地中斷狀態。

讀寫自旋鎖

如果臨界區保護的數據是可讀可寫的，那么只要沒有寫操作，對于讀是可以支持并發操作的。對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法滿足這個要求（對于讀操作實在是太浪費了）。為此內核提供了另一種鎖－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象：

// 靜態初始化
rwlock_t rwlock = RW_LOCK_UNLOCKED;
//動態初始化
rwlock_t *rwlock;
...
rw_lock_init(rwlock);

在讀操作代碼里對共享數據獲取讀自旋鎖：

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

在寫操作代碼里為共享數據獲取寫自旋鎖：

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

需要注意的是，如果有大量的寫操作，會使寫操作自旋在寫自旋鎖上而處于寫饑餓狀態（等待讀自旋鎖的全部釋放），因為讀自旋鎖會自由的獲取讀自旋鎖。

讀寫自旋鎖的函數類似于普通自旋鎖，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 *)

信號量（semaphore）

信號量，或旗標，就是我們在操作系統里學習的經典的P/V原語操作。
P：如果信號量值大于0，則遞減信號量的值，程序繼續執行，否則，睡眠等待信號量大于0。
V：遞增信號量的值，如果遞增的信號量的值大于0，則喚醒等待的進程。

信號量的值確定了同時可以有多少個進程可以同時進入臨界區，如果信號量的初始值始1，這信號量就是互斥信號量（MUTEX）。對于大于1的非0值信號量，也可稱為計數信號量（counting semaphore）。對于一般的驅動程序使用的信號量都是互斥信號量。

主題：Linux驅動程序開發 - 內核同步技術

Linux驅動程序開發 - 內核同步技術

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