互斥锁与自旋锁

1、互斥锁原理

在编程中，引入了对象互斥锁的概念，来保证共享数据操作的完整性。每个对象都对应于一个可称为" 互斥锁" 的标记，这个标记用来保证在任一时刻，只能有一个线程访问该对象。

互斥锁，是一种信号量，常用来防止两个进程或线程在同一时刻访问相同的共享资源。可以保证以下三点：

（1）原子性：把一个互斥量锁定为一个原子操作，这意味着操作系统（或pthread函数库）保证了如果一个线程锁定了一个互斥量，没有其他线程在同一时间可以成功锁定这个互斥量。

（2）唯一性：如果一个线程锁定了一个互斥量，在它解除锁定之前，没有其他线程可以锁定这个互斥量。

（3）非繁忙等待：如果一个线程已经锁定了一个互斥量，第二个线程又试图去锁定这个互斥量，则第二个线程将被挂起（不占用任何cpu资源），直到第一个线程解除对这个互斥量的锁定为止，第二个线程则被唤醒并继续执行，同时锁定这个互斥量。

从以上三点，我们看出可以用互斥量来保证对变量（关键的代码段）的排他性访问。

2、自旋锁原理

它是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，"自旋"一词就是因此而得名。

自旋锁有几个重要的特性：

1、被自旋锁保护的临界区代码执行时不能进入休眠。

2、被自旋锁保护的临界区代码执行时是不能被被其他中断中断。

3、被自旋锁保护的临界区代码执行时，内核不能被抢占。从这几个特性可以归纳出一个共性：被自旋锁保护的临界区代码执行时，它不能因为任何原因放弃处理器。

 

3、死锁

自旋锁与互斥锁有点类似，只是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是 否该自旋锁的保持者已经释放了锁，"自旋"一词就是因此而得名。其作用是为了解决某项资源的互斥使用。因为自旋锁不会引起调用者睡眠，所以自旋锁的效率远 高于互斥锁。虽然它的效率比互斥锁高，但是它也有些不足之处： 
    1、自旋锁一直占用CPU，他在未获得锁的情况下，一直运行－－自旋，所以占用着CPU，如果不能在很短的时 间内获得锁，这无疑会使CPU效率降低。 
    2、在用自旋锁时有可能造成死锁，当递归调用时有可能造成死锁，调用有些其他函数也可能造成死锁，如 copy_to_user()、copy_from_user()、kmalloc()等。 
因此我们要慎重使用自旋锁，自旋锁只有在内核可抢占式或SMP的情况下才真正需要，在单CPU且不可抢占式的内核下，自旋锁的操作为空操作。自旋锁适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况下。

造成死锁的几个可能的原因

1、试图递归地获得自旋锁必然会引起死锁：递归程序的持有实例在第二个实例循环，以试图获得相同自旋锁时，不会释放此自旋锁。在递归程序中使用自旋锁应遵守下列策略：递归程序决不能在持有自旋锁时调用它自己，也决不能在递归调用时试图获得相同的自旋锁。此外如果一个进程已经将资源锁定，那么，即使其它申请这个资源的进程不停地疯狂“自旋”,也无法获得资源，从而进入死循环。

2、进程得到自旋锁后阻塞，睡眠：

     在获得自旋锁之后调用copy_from_user()、copy_to_ser()、和kmalloc（）等有可能引起阻塞的函数。

3、中断中没有关中断，或着因为申请未释放的自旋锁

     在中断中使用自旋锁是可以的，应该在进入中断的时候关闭中断，不然中断再次进入的时候，中断处理函数会自旋等待自旋锁可以再次使用。或者在进程中申请了自旋锁，释放前进入中断处理函数，中断处理函数又申请同样的自旋锁，这将导致死锁。

3.1   案例

在驱动程序中，我们的驱动程序正在执行，并且已经获得了一个锁，这个锁控制着对设备的访问。在拥有这个锁的时候，设备产生了一个中断，它导致中断处理函数被调用，而中断处理函数在访问这个设备之前，也要获得这个锁，由于自旋锁操作是不能休眠的，因此处理器将永远的自旋下去，形成死锁。

4、 自旋锁三种状态

自旋锁保持期间是抢占失效的（内核不允许被抢占）。

1、单CPU且内核不可抢占：

      自旋锁的所有操作都是空。不会引起死锁，内核进程间不存在并发操作进程，进程与中断仍然可能共享数据，存在并发操作，此时内核自旋锁已经失去效果。

 2 、单CPU且内核可抢占：

      当获得自旋锁的时候，禁止内核抢占直到释放锁为止。此时可能存在死锁的情况是参考自旋锁可能死锁的一般情况。

      禁止内核抢占并不代表不会进行内核调度，如果在获得自旋锁后阻塞或者主动调度，内核会调度其他进程运行，被调度的内核进程返回用户空间时，会进行用户抢占，此时调用的进程再次申请上次未释放的自旋锁时，会一直自旋。但是内核被禁止抢占，从而造成死锁。

      内核被禁止抢占，但此时中断并没被禁止，内核进程可能因为中断申请自旋锁而死锁。

3 、多CPU且内核可抢占：

      这才是是真正的SMP的情况。当获得自旋锁的时候，禁止内核抢占直到释放锁为止