linux同步方法剖析,Linux同步方法剖析（内核内各种锁机制一览）中

Linux 同步方法

如果您了解了一些基本理论并且明白了需要解决的问题&＃xff0c;接下来将学习 Linux

支持并发和互斥锁的各种方法。在以前&＃xff0c;互斥锁是通过禁用中断来提供的&＃xff0c;但是这种形式的锁定效率比较低(现在在内核中仍然存在这种用法)。这种方法也不能进行扩展&＃xff0c;而且不能保证其他处理器上的互斥锁。

在以下关于锁定机制的讨论中&＃xff0c;我们首先看一下原子运算符&＃xff0c;它可以保护简单变量(计数器和位掩码(bitmask))。然后介绍简单的自旋锁和读/写锁&＃xff0c;它们构成了一个

SMP 架构的忙等待锁(busy-wait lock)覆盖。最后&＃xff0c;我们讨论构建在原子 API 上的内核互斥锁。

(1)原子操作

Linux 中最简单的同步方法就是原子操作。原子意味着临界段被包含在 API 函数中。不需要额外的锁定&＃xff0c;因为 API

函数已经包含了锁定。由于 C 不能实现原子操作&＃xff0c;因此 Linux

依靠底层架构来提供这项功能。各种底层架构存在很大差异&＃xff0c;因此原子函数的实现方法也各不相同。一些方法完全通过汇编语言来实现&＃xff0c;而另一些方法依靠 c 语言并且使用 local_irq_save 和

local_irq_restore 禁用中断。

当需要保护的数据非常简单时&＃xff0c;例如一个计数器&＃xff0c;原子运算符是种理想的方法。尽管原理简单&＃xff0c;原子 API

提供了许多针对不同情形的运算符。下面是一个使用此 API 的示例。

要声明一个原子变量(atomic variable)&＃xff0c;首先声明一个 atomic_t 类型的变量。这个结构包含了单个 int

元素。接下来&＃xff0c;需确保您的原子变量使用 ATOMIC_INIT 符号常量进行了初始化。 在清单 1 的情形中&＃xff0c;原子计数器被设置为

0。也可以使用 atomic_set function 在运行时对原子变量进行初始化。

清单 1.

创建和初始化原子变量

atomic_t my_counter ATOMIC_INIT(0);

... or ...

atomic_set( &my_counter, 0 );

原子 API 支持一个涵盖许多用例的富函数集。可以使用 atomic_read 读取原子变量中的内容&＃xff0c;也可以使用

atomic_add 为一个变量添加指定值。最常用的操作是使用 atomic_inc

使变量递增。也可用减号运算符&＃xff0c;它的作用与相加和递增操作相反。清单 2. 演示了这些函数。

清单 2. 简单的算术原子函数

val &＃61; atomic_read( &my_counter );

atomic_add( 1, &my_counter );

atomic_inc( &my_counter );

atomic_sub( 1, &my_counter );

atomic_dec( &my_counter );

该 API 也支持许多其他常用用例&＃xff0c;包括 operate-and-test

例程。这些例程允许对原子变量进行操纵和测试(作为一个原子操作来执行)。一个叫做 atomic_add_negative

的特殊函数被添加到原子变量中&＃xff0c;然后当结果值为负数时返回真(true)。这被内核中一些依赖于架构的信号量函数使用。

许多函数都不返回变量的值&＃xff0c;但两个函数除外。它们会返回结果值( atomic_add_return 和

atomic_sub_return)&＃xff0c;如清单 3所示。

清单 3. Operate-and-test 原子函数

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 &＃61; atomic_add_return( 1, &my_counter ));

val &＃61; atomic_sub_return( 1, &my_counter

));

如果您的架构支持 64 位长类型(BITS_PER_LONG 是 64 的)&＃xff0c;那么可以使用 long_t atomic

操作。可以在 linux/include/asm-generic/atomic.h 中查看可用的长操作(long

operation)。

原子 API

还支持位掩码(bitmask)操作。跟前面提到的算术操作不一样&＃xff0c;它只包含设置和清除操作。许多驱动程序使用这些原子操作&＃xff0c;特别是

SCSI。位掩码原子操作的使用跟算术操作存在细微的差别&＃xff0c;因为其中只有两个可用的操作(设置掩码和清除掩码)。使用这些操作前&＃xff0c;需要提供一个值和将要进行操作的位掩码&＃xff0c;如清单

4 所示。

清单 4. 位掩码原子函数

unsigned long my_bitmask;

atomic_clear_mask( 0, &my_bitmask );

atomic_set_mask( (1<<24),

&my_bitmask );