信號量和自旋鎖

??? 為了避免并發(fā)，防止競爭。內(nèi)核提供了一組同步方法來提供對共享數(shù)據(jù)的保護。 我們的重點不是介紹這些方法的詳細(xì)用法，而是強調(diào)為什么使用這些方法和它們之間的差別。
??? Linux 使用的同步機制可以說從2.0到2.6以來不斷發(fā)展完善。從最初的原子操作，到后來的信號量，從大內(nèi)核鎖到今天的自旋鎖。這些同步機制的發(fā)展伴隨 Linux從單處理器到對稱多處理器的過度；伴隨著從非搶占內(nèi)核到搶占內(nèi)核的過度。鎖機制越來越有效，也越來越復(fù)雜。
??? 目前來說內(nèi)核中原子操作多用來做計數(shù)使用，其它情況最常用的是兩種鎖以及它們的變種:一個是自旋鎖，另一個是信號量。我們下面就來著重介紹一下這兩種鎖機制。


自旋鎖
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??? 自旋鎖是專為防止多處理器并發(fā)而引入的一種鎖，它在內(nèi)核中大量應(yīng)用于中斷處理等部分(對于單處理器來說，防止中斷處理中的并發(fā)可簡單采用關(guān)閉中斷的方式，不需要自旋鎖)。
??? 自旋鎖最多只能被一個內(nèi)核任務(wù)持有，如果一個內(nèi)核任務(wù)試圖請求一個已被占用(已經(jīng)被持有)的自旋鎖，那么這個任務(wù)就會一直進行忙循環(huán)——旋轉(zhuǎn)——等待鎖重新可用。要是鎖未被占用，請求它的內(nèi)核任務(wù)便能立刻得到它并且繼續(xù)進行。自旋鎖可以在任何時刻防止多于一個的內(nèi)核任務(wù)同時進入臨界區(qū)，因此這種鎖可有效地避免多處理器上并發(fā)運行的內(nèi)核任務(wù)競爭共享資源。
??? 事實上，自旋鎖的初衷就是：在短期間內(nèi)進行輕量級的鎖定。一個被占用的自旋鎖使得請求它的線程在等待鎖重新可用的期間進行自旋(特別浪費處理器時間)，所以自旋鎖不應(yīng)該被持有時間過長。如果需要長時間鎖定的話, 最好使用信號量。
自旋鎖的基本形式如下：
??? spin_lock(&mr_lock);
??? //臨界區(qū)
??? spin_unlock(&mr_lock);

??? 因為自旋鎖在同一時刻只能被最多一個內(nèi)核任務(wù)持有，所以一個時刻只有一個線程允許存在于臨界區(qū)中。這點很好地滿足了對稱多處理機器需要的鎖定服務(wù)。在單處 理器上，自旋鎖僅僅當(dāng)作一個設(shè)置內(nèi)核搶占的開關(guān)。如果內(nèi)核搶占也不存在，那么自旋鎖會在編譯時被完全剔除出內(nèi)核。
??? 簡單的說，自旋鎖在內(nèi)核中主要用來防止多處理器中并發(fā)訪問臨界區(qū)，防止內(nèi)核搶占造成的競爭。另外自旋鎖不允許任務(wù)睡眠(持有自旋鎖的任務(wù)睡眠會造成自死鎖——因為睡眠有可能造成持有鎖的內(nèi)核任務(wù)被重新調(diào)度，而再次申請自己已持有的鎖)，它能夠在中斷上下文中使用。
??? 死鎖：假設(shè)有一個或多個內(nèi)核任務(wù)和一個或多個資源，每個內(nèi)核都在等待其中的一個資源，但所有的資源都已經(jīng)被占用了。這便會發(fā)生所有內(nèi)核任務(wù)都在相互等待， 但它們永遠(yuǎn)不會釋放已經(jīng)占有的資源，于是任何內(nèi)核任務(wù)都無法獲得所需要的資源，無法繼續(xù)運行，這便意味著死鎖發(fā)生了。自死瑣是說自己占有了某個資源，然后 自己又申請自己已占有的資源，顯然不可能再獲得該資源，因此就自縛手腳了。


信號量
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??? Linux中的信號量是一種睡眠鎖。如果有一個任務(wù)試圖獲得一個已被持有的信號量時，信號量會將其推入等待隊列，然后讓其睡眠。這時處理器獲得自由去執(zhí)行其它代碼。當(dāng)持有信號量的進程將信號量釋放后，在等待隊列中的一個任務(wù)將被喚醒，從而便可以獲得這個信號量。
??? 信號量的睡眠特性，使得信號量適用于鎖會被長時間持有的情況；只能在進程上下文中使用，因為中斷上下文中是不能被調(diào)度的；另外當(dāng)代碼持有信號量時，不可以再持有自旋鎖。

信號量基本使用形式為：
static DECLARE_MUTEX(mr_sem);//聲明互斥信號量
if(down_interruptible(&mr_sem))
??? //可被中斷的睡眠，當(dāng)信號來到，睡眠的任務(wù)被喚醒
??? //臨界區(qū)
up(&mr_sem);


信號量和自旋鎖區(qū)別
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??? 雖然聽起來兩者之間的使用條件復(fù)雜，其實在實際使用中信號量和自旋鎖并不易混淆。注意以下原則:
??? 如果代碼需要睡眠——這往往是發(fā)生在和用戶空間同步時——使用信號量是唯一的選擇。由于不受睡眠的限制，使用信號量通常來說更加簡單一些。如果需要在自旋 鎖和信號量中作選擇，應(yīng)該取決于鎖被持有的時間長短。理想情況是所有的鎖都應(yīng)該盡可能短的被持有，但是如果鎖的持有時間較長的話，使用信號量是更好的選 擇。另外，信號量不同于自旋鎖，它不會關(guān)閉內(nèi)核搶占，所以持有信號量的代碼可以被搶占。這意味者信號量不會對影響調(diào)度反應(yīng)時間帶來負(fù)面影響。


自旋鎖對信號量
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需求 ??? ??? ??? ??? ????? 建議的加鎖方法

低開銷加鎖 ??? ??? ?????? ?優(yōu)先使用自旋鎖
短期鎖定 ??? ??? ??? ????? 優(yōu)先使用自旋鎖
長期加鎖 ??? ??? ??? ????? 優(yōu)先使用信號量
中斷上下文中加鎖 ??? ???? ?使用自旋鎖
持有鎖是需要睡眠、調(diào)度???? 使用信號量