Linux内核中的同步机制

Linux内核中的同步机制：原子操作linux内核信号API本文详细的介绍了、信号量、读写信号量和自旋锁的API，使用要求以及一些典型示例

一、原子操作

　　所谓原子操作，就是该操作绝不会在执行完毕前被任何其他任务或事件打断，也就说，它的最小的执行单位，不可能有比它更小的执行单位，因此这里的原子实际是使用了物理学里的物质微粒的概念。

　　原子操作需要硬件的支持，因此是架构相关的，其API和原子类型的定义都定义在内核源码树的include/asm/atomic.h文件中，它们都使用汇编语言实现，因为C语言并不能实现这样的操作。

　　原子操作主要用于实现资源计数，很多引用计数(refcnt)就是通过原子操作实现的。原子类型定义如下：

typedef struct  {  volatile int counter;  }  atomic_t;

　　volatile修饰字段告诉gcc不要对该类型的数据做优化处理，对它的访问都是对内存的访问，而不是对寄存器的访问。

　　原子操作API包括：

#define atomic_read(v)  (*(volatile int *)&(v)->counter)

　　该函数对原子类型的变量进行原子读操作，它返回原子类型的变量v的值。

atomic_set(atomic_t * v, int i);

　　该函数设置原子类型的变量v的值为i。

#define atomic_set(v,i) (((v)->counter) = (i))

　　该函数给原子类型的变量v增加值i。

atomic_sub(int i, atomic_t *v);

　　该函数从原子类型的变量v中减去i。

int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);

　　该函数从原子类型的变量v中减去i，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。

void atomic_inc(atomic_t *v);

　　该函数对原子类型变量v原子地增加1。

void atomic_dec(atomic_t *v);

　　该函数对原子类型的变量v原子地减1。

int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);

　　该函数对原子类型的变量v原子地减1，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。

int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);

　　该函数对原子类型的变量v原子地增加1，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。

int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v);

　　该函数对原子类型的变量v原子地增加I，并判断结果是否为负数，如果是，返回真，否则返回假。

int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);

　　该函数对原子类型的变量v原子地增加i，并且返回指向v的指针。

int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);

　　该函数从原子类型的变量v中减去i，并且返回指向v的指针。

int atomic_inc_return(atomic_t * v);

　　该函数对原子类型的变量v原子地增加1并且返回指向v的指针。

int atomic_dec_return(atomic_t * v);

　　该函数对原子类型的变量v原子地减1并且返回指向v的指针。

　　原子操作通常用于实现资源的引用计数，在TCP/IP协议栈的IP碎片处理中，就使用了引用计数，碎片队列结构struct ipq描述了一个IP碎片，字段refcnt就是引用计数器，它的类型为atomic_t，当创建IP碎片时（在函数ip_frag_create中），使用atomic_set函数把它设置为1，当引用该IP碎片时，就使用函数atomic_inc把引用计数加1。

　　当不需要引用该IP碎片时，就使用函数ipq_put来释放该IP碎片，ipq_put使用函数atomic_dec_and_test把引用计数减1并判断引用计数是否为0，如果是就释放IP碎片。函数ipq_kill把IP碎片从ipq队列中删除，并把该删除的IP碎片的引用计数减1（通过使用函数atomic_dec实现）。

二、信号量（semaphore）（/include/linux/semaphore.h)

　　Linux内核的信号量在概念和原理上与用户态的System V的IPC机制信号量是一样的，但是它绝不可能在内核之外使用，因此它与System V的IPC机制信号量毫不相干。

　　信号量在创建时需要设置一个初始值，表示同时可以有几个任务可以访问该信号量保护的共享资源，初始值为1就变成互斥锁（Mutex），即同时只能有一个任务可以访问信号量保护的共享资源。

　　一个任务要想访问共享资源，首先必须得到信号量，获取信号量的操作将把信号量的值减1，若当前信号量的值为负数，表明无法获得信号量，该任务必须挂起在该信号量的等待队列等待该信号量可用；若当前信号量的值为非负数，表示可以获得信号量，因而可以立刻访问被该信号量保护的共享资源。

　　当任务访问完被信号量保护的共享资源后，必须释放信号量，释放信号量通过把信号量的值加1实现，如果信号量的值为非正数，表明有任务等待当前信号量，因此它也唤醒所有等待该信号量的任务。

truct semaphore {
        spinlock_t              lock;
        unsigned int            count;
        struct list_head        wait_list;
};



　　信号量的API有：

#define DEFINE_SEMAPHORE(name)  \
        struct semaphore name = __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, 1)

　　该宏声明一个信号量name并初始化它的值为1，即声明一个互斥锁。

void sema_init (struct semaphore *sem, int val);

　　该函用于数初始化设置信号量的初值，它设置信号量sem的值为val。

void init_MUTEX_LOCKED (struct semaphore *sem);

　　该函数也用于初始化一个互斥锁，但它把信号量sem的值设置为0，即一开始就处在已锁状态。

void down(struct semaphore * sem);

　　该函数用于获得信号量sem，它会导致睡眠，因此不能在中断上下文（包括IRQ上下文和softirq上下文）使用该函数。该函数将把sem的值减1，如果信号量sem的值非负，就直接返回，否则调用者将被挂起，直到别的任务释放该信号量才能继续运行。

int down_interruptible(struct semaphore * sem);

　　该函数功能与down类似，不同之处为，down不会被信号（signal）打断，但down_interruptible能被信号打断，因此该函数有返回值来区分是正常返回还是被信号中断，如果返回0，表示获得信号量正常返回，如果被信号打断，返回-EINTR。

int down_trylock(struct semaphore * sem);

　　该函数试着获得信号量sem，如果能够立刻获得，它就获得该信号量并返回0，否则，表示不能获得信号量sem，返回值为非0值。因此，它不会导致调用者睡眠，可以在中断上下文使用。

void up(struct semaphore * sem);

　　该函数释放信号量sem，即把sem的值加1，如果sem的值为非正数，表明有任务等待该信号量，因此唤醒这些等待者。

　　信号量在绝大部分情况下作为互斥锁使用，下面以console驱动系统为例说明信号量的使用。

　　在内核源码树的kernel/printk.c中，使用宏DECLARE_MUTEX声明了一个互斥锁console_sem，它用于保护console驱动列表console_drivers以及同步对整个console驱动系统的访问。

　　其中定义了函数acquire_console_sem来获得互斥锁console_sem，定义了release_console_sem来释放互斥锁console_sem，定义了函数try_acquire_console_sem来尽力得到互斥锁console_sem。这三个函数实际上是分别对函数down，up和down_trylock的简单包装。

　　需要访问console_drivers驱动列表时就需要使用acquire_console_sem来保护console_drivers列表，当访问完该列表后，就调用release_console_sem释放信号量console_sem。

　　函数console_unblank，console_device，console_stop，console_start，register_console和unregister_console都需要访问console_drivers，因此它们都使用函数对acquire_console_sem和release_console_sem来对console_drivers进行保护。