Linux内核同步方法

当多个进程、线程或中断、正常用户程序同时访问同一个资源，可能导致错误，因此内核需要提供并发控制机制，对公共资源的访问进行同步控制，确保共享资源的安全访问。
linux中包含了众多的互斥与同步机制，包括信号量、互斥体、自旋锁、原子操作、读写锁等。

在讨论之前我们引入几个概念：

进程上下文：应用程序陷入内核运行时所处的内核环境。
中断上下文：中断服务程序执行时所处的内核环境。
抢占式内核：用户程序在执行系统调用期间可以被高优先级进程抢占。
非抢占式内核：用户程序执行系统调用不能被其他进成抢占。
对称多处理器（SMP）：一个计算机上汇集了多个处理器，他们共享内存和总线，可并行处理数据。
单处理器：只有一个CPU。

1.自旋锁

自旋锁结构

typedef struct {
    /**
     * 该字段表示自旋锁的状态，值为1表示未加锁，任何负数和0都表示加锁
     */
    volatile unsigned int slock;
#ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK
    unsigned magic;
#endif
#ifdef CONFIG_PREEMPT
    /**
     * 表示进程正在忙等待自旋锁。
     * 只有内核支持SMP和内核抢占时才使用本标志。
     */
    unsigned int break_lock;
#endif
} spinlock_t;

特点

1. 是一种轻量级的多处理器间的同步机制。
2. 它是一种忙等待机制，当一个线程获取了锁之后，其他试图获取这个锁的线程进行原地打转等待锁的释放，会造成CPU时间的浪费。因此它要求持有锁的线程或应用程序所占用的时间尽可能短。
3. 进程在获得自旋锁后进行调度、抢占以及在等待队列上睡眠都是非法的。

注意事项

1. 自旋锁是不可递归的，递归的请求同一个自旋锁会自己锁死自己。
2. 线程获取自旋锁之前，要禁止当前处理器上的中断。（防止获取锁的线程和中断形成竞争条件）
   比如：当前线程获取自旋锁后，在临界区中被中断处理程序打断，中断处理程序正好也要获取这个锁，
   于是中断处理程序会等待当前线程释放锁，而当前线程也在等待中断执行完后再执行临界区和释放锁的代码。

应用例子

#include <linux/spinlock.h>

spinlock_t my_spinlock;
spin_lock_init(&my_spinlock);
//或者spinlock_t my_spinlock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;

spin_lock(&my_spinlock);
 .......    //临界区代码
spin_unlock(&my_spinlock);

注意：存在于中断和进程上下文的临界区，必须使用禁止中断的形式：spin_lock_irqsave()

自旋锁方法列表

方法	描述	其它
spin_lock_init()	动态初始化指定的spinlock_t	将自旋锁设置为1，表示有一个资源可用。
spin_lock()	获取指定的自旋锁	循环等待直到自旋锁解锁（置为1），然后，将自旋锁锁上（置为0）。可自旋等待，可被软、硬件中断
spin_unlock()	释放指定的锁	将自旋锁解锁（置为1）。
spin_lock_irq()	禁止本地中断并获取指定的锁	可自旋等待，不保存中断状态关闭软、硬件中断
spin_unlock_irq()	释放指定的锁，并激活本地中断	置为1
spin_lock_irqsave()	保存本地中断的当前状态，禁止本地中断，并获取指定的锁	可自旋等待，保存中断状态并关闭软、硬件中断
spin_unlock_irqstore()	释放指定的锁，并让本地中断恢复到以前状态	置为1
spin_trylock()	试图获取指定的锁，如果未获取，则返回0	不自旋等待，成功返回1、失败则返回0
spin_is_locked()	如果指定的锁当前正在被获取，则返回非0，否则返回0

---

2.信号量

信号量结构

// 信号量结构体类型
struct semaphore {
    spinlock_t      lock;       //自旋锁变量
    unsigned int        count;      //信号量的值
    struct list_head    wait_list;  //链表，推入等待队列时使用
};

特点

1. 互斥体和信号量都是一种睡眠锁,不可在中断当中使用。
2. 如果有一个线程试图获得一个已经被占用的信号量或互斥体时，该线程都会被推进一个等待队列，然后被睡眠。
3. 当持有信号量或互斥体的进程将其释放后，处于等待队列中的那个任务将被唤醒，并获得该信号量或互斥体。
4. 互斥体功能上基本上与信号量一样，互斥体占用空间比信号量小，运行效率比信号量高，二者都通过schedule相关函数将线程调度出cpu，进入睡眠。

注意事项

1. 信号量也是一种锁，和自旋锁不同的是，线程获取不到信号量的时候，不会像自旋锁一样循环的去试图获取锁，
   而是进入睡眠，直至有信号量释放出来时，才会唤醒睡眠的线程，进入临界区执行。
2. 由于使用信号量时，线程会睡眠，所以等待的过程不会占用CPU时间。所以信号量适用于等待时间较长的临界区。
3. 信号量消耗的CPU时间的地方在于使线程睡眠和唤醒线程，如果 （使线程睡眠 + 唤醒线程）的CPU时间 > 线程自旋等待的CPU时间，那么可以考虑使用自旋锁。

应用例子

#include <linux/semaphore.h>
struct semaphore my_sema;   //信号量
sema_init(&my_sema, 1); //信号量初始化为1,与init_MUTEX(my_sema)等效
//定义一个semaphore变量，并初始化为1
//DECLARE_MUTEX(my_sema)；
down_interruptible(&my_sema);   //获取信号量（减操作）  这个方法把线程状态置为 TASK_INTERRUPTIBLE 后睡眠
 .....  //临界区代码
up(&bufflock);      //释放信号量（加操作）

信号量方法列表

方法	描述	其它
sema_init(struct semaphore *, int)	以指定的计数值初始化动态创建的信号量	将信号量设置为1，表示有一个资源可用。
down_interruptible(struct semaphore *)	以试图获得指定的信号量，如果信号量已被争用，则进入可中断睡眠状态	减操作(置为0)
down(struct semaphore *)	以试图获得指定的信号量，如果信号量已被争用，则进入不可中断睡眠状态
down_trylock(struct semaphore *)	以试图获得指定的信号量，如果信号量已被争用，则立即返回非0值
up(struct semaphore *)	以释放指定的信号量，如果睡眠队列不空，则唤醒其中一个任务	加操作(置为1)

一般用的比较多的是down_interruptible()方法，因为以 TASK_UNINTERRUPTIBLE 方式睡眠无法被信号(比如Ctrl+C)唤醒。
对于 TASK_INTERRUPTIBLE 和 TASK_UNINTERRUPTIBLE 补充说明一下：
1. TASK_INTERRUPTIBLE - 可打断睡眠，可以接受信号并被唤醒，也可以在等待条件全部达成后被显式唤醒(比如wake_up()函数)。
2. TASK_UNINTERRUPTIBLE - 不可打断睡眠，只能在等待条件全部达成后被显式唤醒(比如wake_up()函数)。

函数说明

int down_interruptible(struct semaphore *sem)

这个函数的功能就是获得信号量，如果得不到信号量就睡眠，此时没有信号打断，那么进入睡眠。但是在睡眠过程中可能被信号打断，打断之后返回-EINTR，主要用来进程间的互斥同步。

一个进程在调用down_interruptible()之后，如果sem<0，那么就进入到可中断的睡眠状态并调度其它进程运行， 但是一旦该进程收到信号(比如Ctrl+C发出软中断)，那么就会从down_interruptible函数中返回。并标记错误号为:-EINTR。

一个形象的如：小强下午放学回家，回家了就要开始吃饭嘛，这时就会有两种情况：情况一：饭做好了，可以开始吃（已经置过1）；情况二：当他到厨房去的时候发现妈妈还在做，妈妈就对他说：“你先去睡会，待会做好了叫你（先前执行减操作，已经置过0）。”小强就答应去睡会，不过又说了一句：“睡的这段时间要是小红（比喻信号）来找我玩，你可以叫醒我。”小强就是down_interruptible，想吃饭就是获取信号量，睡觉对应这里的休眠，而小红来找我玩就是中断休眠。