深层次探讨mutex与semaphore之间的区别

http://www.360doc.com/content/12/0404/10/9400799_200672862.shtml

看过Linux内核的同学都知道，Linux内核中除了有semaphore之外，还有一个mutex lock。前者我们的操作系统教科书称之为信号量，后者不知道教科书有没有具体的名称，但是在Linux内核中，它的称谓是"互斥锁"或者“互斥体”(总之，称谓不是问题)。为了提升一下本帖的理论密度，特从Wiki中摘录一段关于semaphore的描述：

“In computer science, a semaphore is a variable or abstract data type that provides a simple but useful abstraction for controlling access by multiple processes to a common resource in a parallel programming environment.

A useful way to think of a semaphore is as a record of how many units of a particular resource are available, coupled with operations to safely (i.e., without race conditions) adjust that record as units are required or become free, and if necessary wait until a unit of the resource becomes available. Semaphores are a useful tool in the prevention of race conditions and deadlocks; however, their use is by no means a guarantee that a program is free from these problems. Semaphores which allow an arbitrary resource count are called counting semaphores, while semaphores which are restricted to the values 0 and 1 (or locked/unlocked, unavailable/available) are called binary semaphores (same functionality that mutexes have).”。

其中关键信息主要是“a semaphore is a data type for controlling access by multiple processes to a common resource in a parallel programming environment... Semaphores which allow an arbitrary resource count are called counting semaphores, while semaphores which are restricted to the values 0 and 1 (or locked/unlocked, unavailable/available) are called binary semaphores (same functionality that mutexes have)”，也即信号量在并行处理环境下对多个processes访问某个公共资源进行保护，后面提到的binary semaphore，本质上应该就是mutex了，从same functionality that mutexes have这句话来看，mutex和binary semaphore功能应该相同。从以上的文字中显然可以看到，相对mutex而言信号量的适用范围更广(mutex只是信号量的用途之一)，这个我们接下来在后续的Linux源码中也可以看到这其中某些细微之处的区分。

*注：昨天写这个帖子时手头没有操作系统方面的书籍拿来参考，今天我翻了一下《现代操作系统》(陈向群等译，机械工业出版社  1999年11月第1版)， 关于这个话题，书里明确提到的只有"2.2.5 信号量"，至于mutex，书中并没有作为一个独立的概念提出来，只是在讲信号量时提到了上面所说的binary semaphore，并且说“信号量mutex(应该是指binary semaphore)用于互斥...互斥是避免混乱所必需的操作...信号量的另一种用途是用于实现同步(synchronization)。信号量full和empty用来保证一定的事件顺序发生或不发生。在本例中，它们保证缓冲区满的时候生产者停止运行，或者当缓冲区空的时候消费者停止运行。这种用法与互斥是不同的” --- P30-31 *

OK，理论上的概念有了，那么就来看看实际当中Linux下的semaphone到底长的啥样。以下是semaphore在Linux源码中的定义，源码来自3.2.9：
<include/linux/semaphore.h>

1. /* Please don't access any members of this structure directly */
   
2. struct semaphore {
   
3.         raw_spinlock_t                lock;
   
4.         unsigned int                count;
   
5.         struct list_head        wait_list;
   
6. };

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如果count=1的话，那么semaphore就可以用来进行互斥操作了，早先内核源码中曾有一个专门的宏用来定义一个count=1的信号量DECLARE_MUTEX:

1. #define DECLARE_MUTEX(name) \
   
2.             struct semaphore name = __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, 1)

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因为我们知道在Linux内核源码中还有一个DEFINE_MUTEX宏，所以Marcin Slusarz同学认为DECLARE_MUTEX宏容易让人困惑，毕竟它其实只是定义了一个count=1的信号量，因此该同学早在08年就向内核社区提交了一个PATCH，要求Rename DECLARE_MUTEX to DEFINE_SEMAPHORE(https://lkml.org/lkml/2008/10/26/74)，这个PATCH最终被社区所接受(应该是在2.6.35和2.6.39版本之间，2.6.39已经没有了DECLARE_MUTEX，取而代之的是DEFINE_SEMAPHORE，但2.6.35还有，我当时在写《深入Linux设备驱动程序内核机制》时，最早引用的是2.6.35的版本，虽然在写作的中晚期将内核版本切换到2.6.39并在定稿阶段曾试图将之前写的文档全部修正到39版，但是DECLARE_MUTEX的残留显然是条漏网之鱼...)。因为只是rename，所以DEFINE_SEMAPHORE的定义和原来的DECLARE_MUTEX完全相同。


那么既然count=1的信号量可以用来完成mutex lock的功能，那么内核何必再多此一举弄出个mutex lock出来呢？
关于Linux内核中的mutex机制，一篇很重要的文档来自内核源码中的Documentation/mutex-design.txt，由Ingo molnar同学起头，标题是"Generic Mutex Subsystem"，这篇文档开宗名义，直接将1楼中最后一个问题给端了出来(因此我估计这个问题此前已经有很多人骚扰过Ingo等同学了)：

"Why on earth do we need a new mutex subsystem, and what's wrong with semaphores?" 前面已经讲过，当struct semaphore中的成员变量为1，就可以用来实现mutex这种东西，而且内核也明确定义了DEFINE_SEMAPHORE宏将count初始化为1，信号量上的DOWN与UP操作就更不用说了，在内核中也都有很好的实现，难道这种binary semaphore机制还不能满足我们的要求吗，干嘛还非得弄一个新的mutex机制出来呢？

下面是Ingo同学对此的解释，他说“firstly, there's nothing wrong with semaphores. But if the simpler mutex semantics are sufficient for your code, then there are a couple of advantages of mutexes”，就是说，信号量在Linux中的实现是没任何问题的(上来先安抚一下大家躁动的心情)，但是mutex的语义相对来说要较信号量要来得简单，所以如果你的代码若只是想对某一共享资源进行互斥访问的话，那么使用这种简化了的mutex机制可以带来如下的一坨好处。对这句话我的理解是，mutex将binary semaphore的实现简化了(the simper mutex)，因此如果单纯从互斥的角度，用mutex会有很多好处。

接下来Ingo列出的一大堆使用mutex的好处，在这个帖子中我们将一条一条地来看，再结合内核源码，看看事实是否的确象他说的那样：

- 'struct mutex' is smaller on most architectures: E.g. on x86, 'struct semaphore' is 20 bytes, 'struct mutex' is 16 bytes. A smaller structure size means less RAM footprint, and better CPU-cache utilization.

这条最好验证，尤其还是x86平台，找个简单的内核模块，打印一下sizeof就可以了。在我的x86-64 32位Linux系统(内核版本2.6.37)上， struct semaphore的大小是16字节，而struct mutex的大小则是20字节，另两台x86-64 64位Linux系统(内核版本3.x)上的结果则是，struct semaphore的大小是24字节，而struct mutex的大小则是32字节。这里不妨看一下struct mutex在内核中的定义：

<include/linux/mutex.h>

1. struct mutex {
   
2.         /* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */
   
3.         atomic_t                count;
   
4.         spinlock_t                wait_lock;
   
5.         struct list_head        wait_list;
   
6. #if defined(CONFIG_DEBUG_MUTEXES) || defined(CONFIG_SMP)
   
7.         struct task_struct        *owner;
   
8. #endif
   
9. #ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
   
10.         const char                 *name;
    
11.         void                        *magic;
    
12. #endif
    
13. #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
    
14.         struct lockdep_map        dep_map;
    
15. #endif
    
16. };

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可以看到stuct mutex的定义其实比semaphore要来得复杂，里面有一些条件编译选项在里面。因为我们实际使用当中很少会使用它的调试功能，但是SMP现在则很普遍，我上面测试用的Linux环境都是多处理器系统。所以，mutex的定义实际上可简化为：

1. struct mutex {
   
2.         /* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */
   
3.         atomic_t                count;
   
4.         spinlock_t                wait_lock;
   
5.         struct list_head        wait_list;
   
6.         struct task_struct        *owner;
   
7. };

复制代码

对比一下前面struct semaphore的定义你会发现，struct mutex比semaphore多了一个owner指针，因此上面的结果也就不难理解了，指针在32位系统上是4字节，而64位系统则是8字节。我相信Ingo同学肯定不会胡说八道，那么明显地，相对于Ingo当时写mutex-design.txt时的情形，Linux内核源码发生了变化，这个在Linux的开发过程中实在是太正常不过的一件事了：文档总是远远落后于代码的更新--大家都忙着写code，而很少有人想着去更新文档。
所以接下来Ingo提到的tighter code的优势，估计对mutex而言也不复存在了... (他本人对mutex相对于semaphore在RAM footprint方面的优势不复存在的最新回复是："Mutex got larger due to the adaptive spin-mutex performance optimization"，因此我很自然地将这句话理解成，由于要实现所谓的“adaptive spin-mutex performance optimization"，那么就不惜牺牲了"less RAM footprint, and better CPU-cache utilization"，所以我们有理由期待接下来的spin-mutex performance optimization会给mutex带来性能上的飞跃...)