Linux內核鎖的那點事

在Linux設備驅動中，我們必須要解決的一個問題是：多個進程對共享資源的并發(fā)訪問，并發(fā)的訪問會導致競態(tài)。

1、并發(fā)和競態(tài)

并發(fā)（Concurrency）：指的是多個執(zhí)行單元同時、并行的被執(zhí)行。

競態(tài)（RaceConditions）：并發(fā)執(zhí)行的單元對共享資源的訪問，容易導致競態(tài)。

共享資源：硬件資源和軟件上的全局變量、靜態(tài)變量等。

解決競態(tài)的途徑是：保證對共享資源的互斥訪問。

互斥訪問：一個執(zhí)行單元在訪問共享資源的時候，其他執(zhí)行單元被禁止訪問。

臨界區(qū)（Critical Sections）：訪問共享資源的代碼區(qū)域成為臨界區(qū)。臨界區(qū)需要以某種互斥機制加以保護。

常見的互斥機制包括 ：中斷屏蔽，原子操作，自旋鎖，信號量，互斥體等。

2、競態(tài)發(fā)生的場合

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1. 多對稱處理器（SMP）的多個CPU之間

多個CPU使用共同的系統(tǒng)總線，可以訪問共同的外設和存儲器。在SMP的情況下，多核（CPU0、CPU1）的競態(tài)可能發(fā)生于：

• CPU0的進程和CPU1的進程之間
• CPU0的進程和CPU1的中斷之間
• CPU0的中斷和CPU1的中斷之間

2. 單CPU內，該進程與搶占它的進程之間

在單CPU內，多個進程并發(fā)執(zhí)行，當一個進程執(zhí)行的時間片耗盡，也有可能被另一個高優(yōu)先級進程打斷，會發(fā)生競態(tài)。

3. 中斷（軟中斷、硬中斷、Tasklet、底半部）與進程之間

當一個進程正在執(zhí)行，一個外部/內部中斷（軟中斷、硬中斷、Tasklet等）將其打斷，會導致競態(tài)發(fā)生。

3、編譯亂序和執(zhí)行亂序

除了并發(fā)訪問導致的競態(tài)外，還需要了解編譯器和處理器的一些特點所引發(fā)的一些問題。

3.1 編譯亂序

現代的高性能編譯器在目標代碼優(yōu)化上都具有亂序優(yōu)化的能力，編譯器為了盡量 提高Cache命中率以及CPU的Load/Store單元的工作效率 ，可以對訪存的指令進行亂序，減少邏輯上不必要的訪存。

因此，在打開編譯器優(yōu)化后，生成的匯編碼并沒有嚴格按照代碼的邏輯順序執(zhí)行，這是正常的。

為了解決編譯亂序的問題，可以加入barrier()編譯屏障 ，

該屏障可以阻擋編譯器的優(yōu)化。設置屏障的前后，可以保證執(zhí)行的語句不亂。

加入barrier()編譯屏障，即可保證正確的執(zhí)行順序。

例子：

#define barrier() __asm__ __volatile__("": : :"memory")

int main(int argc,char *argv[])
{
 int a = 0,b,c,d[4096],e;
 e = d[4095];
    barrier();
 b = a;
 c = a;
 return 0;
}

3.2 執(zhí)行亂序

編譯亂序是編譯器的行為，而執(zhí)行亂序就是處理器運行時的行為。

高級的CPU往往會根據自身的緩存特性，將訪存指令重新排序執(zhí)行！ 這樣就導致了多個順序的指令，后發(fā)的指令仍有可能先執(zhí)行完畢。

這種執(zhí)行亂序，在多個CPU之間，以及單個CPU內部，都是非常常見的。

3.2.1 多CPU之間

處理器為了解決多核之間，一個CPU的行為對另一個CPU可見的情況，ARM處理器引入了內存屏障指令：

• DMB（數據內存屏障），保證在該指令前的所有指令，內存訪問完成，再去訪問該指令之后的訪存動作
• DSB（數據同步屏障），保證在該指令前的所有訪存指令執(zhí)行完畢（訪存，緩存，跳轉預測，TLB維護等）完成
• ISB（指令同步屏障），Flush流水線，保證所有在ISB之后執(zhí)行的指令都是從緩存或者內存中獲得。

3.2.2 單CPU內部

在單CPU中，我們常遇到訪問外設寄存器時，某些外設寄存器就對讀寫順序有很高的要求，為了避免執(zhí)行亂序的發(fā)生，這時候就需要CPU的一些內存屏障指令了。

CPU內部，為了解決這種問題，CPU提供了一些內存屏障指令：

可以參考Documentation/memory-devices.txt和Documentation/io_ordering.txt

• 讀寫屏障：mb()
• 讀屏障：rmb()
• 寫屏障：wmb()
• 寄存器讀屏障__iormb()__
• 寄存器寫屏障__iowmb()__

#define writeb_relaxed(v,c) __raw_writeb(v,c)
#define writew_relaxed(v,c) __raw_writew((__force u16) cpu_to_le16(v),c)
#define writel_relaxed(v,c) __raw_writel((__force u32) cpu_to_le32(v),c)

#define readb(c)  ({ u8  __v = readb_relaxed(c); __iormb(); __v; })
#define readw(c)  ({ u16 __v = readw_relaxed(c); __iormb(); __v; })
#define readl(c)  ({ u32 __v = readl_relaxed(c); __iormb(); __v; })

#define writeb(v,c)  ({ __iowmb(); writeb_relaxed(v,c); })
#define writew(v,c)  ({ __iowmb(); writew_relaxed(v,c); })
#define writel(v,c)  ({ __iowmb(); writel_relaxed(v,c); })

writel與writel_relaxed的區(qū)別就在于有無屏障。

4、總結

由上文可知，為了解決

1. 并發(fā)導致的競態(tài)問題
2. 高性能的編譯器編譯亂序問題
3. 高性能的CPU帶來的執(zhí)行亂序問題

CPU和ARM處理器提供的內存屏障指令等，這也是內核鎖存在的意義。