一、前言

Linux內(nèi)核中有許多不同類型的鎖，它們都可以用來保護(hù)關(guān)鍵資源，以避免多個(gè)線程或進(jìn)程之間發(fā)生競爭條件，從而保護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這些鎖的類型包括：互斥鎖（mutex）、讀寫鎖（rwlock）、自旋鎖（spinlock）和信號(hào)量（semaphore）。今天就給大家介紹一下Linux內(nèi)核中的各種鎖，以及我們?cè)趯?shí)際項(xiàng)目中該如何選擇使用哪個(gè)鎖。

二、幾種鎖的介紹

互斥鎖（mutex） 是最常用的鎖，它可以保護(hù)共享資源，使得在某個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)線程或進(jìn)程可以訪問它。讀寫鎖（rwlock）則可以同時(shí)允許多個(gè)線程或進(jìn)程讀取共享資源，但只允許一個(gè)線程或進(jìn)程寫入它。自旋鎖（spinlock）可以用來保護(hù)共享資源，使得在某個(gè)時(shí)刻只有一個(gè)線程或進(jìn)程可以訪問它，但它會(huì)使線程或進(jìn)程“自旋”，直到獲得鎖為止。最后，信號(hào)量（semaphore）可以用來控制對(duì)共享資源的訪問，以保證其他線程或進(jìn)程可以安全地訪問它們。

讀寫鎖（rwlock） 是一種用于控制多線程訪問共享資源的同步機(jī)制。當(dāng)一個(gè)線程需要讀取共享資源時(shí)，可以獲取讀取鎖，這樣其他線程就可以同時(shí)讀取該資源，而不會(huì)引發(fā)沖突。當(dāng)一個(gè)線程需要寫入共享資源時(shí)，可以獲取寫入鎖，這樣其他線程就不能訪問該資源，從而保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性。

自旋鎖（spinlock） 是一種簡單而有效的用于解決多線程同步問題的鎖。它是一種排他鎖，可以在多線程環(huán)境下保護(hù)共享資源，以防止多個(gè)線程同時(shí)對(duì)該資源進(jìn)行訪問。自旋鎖的基本原理是，當(dāng)一個(gè)線程試圖獲取鎖時(shí)，它會(huì)不斷嘗試獲取鎖，直到成功為止。在這期間，線程不會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，而是一直處于忙等待（busy-waiting）狀態(tài)，這也就是自旋鎖的由來。

信號(hào)量（semaphore） 是一種常用的同步機(jī)制，它可以用來控制多個(gè)線程對(duì)共享資源的訪問。它有助于確保同一時(shí)間只有一個(gè)線程能夠訪問共享資源，從而避免資源沖突和競爭。信號(hào)量是一種整數(shù)計(jì)數(shù)器，用于跟蹤可用資源的數(shù)量。當(dāng)一個(gè)線程需要訪問共享資源時(shí)，它首先必須獲取信號(hào)量，這會(huì)將信號(hào)量的計(jì)數(shù)器減少1，而當(dāng)它完成訪問共享資源后，它必須釋放信號(hào)量，以便其他線程也可以訪問共享資源。

四、互斥鎖（Mutex）

互斥鎖是最基本的鎖類型，在內(nèi)核中使用較為廣泛。它是一種二元鎖，只能同時(shí)有一個(gè)線程持有該鎖。當(dāng)一個(gè)線程請(qǐng)求該鎖時(shí)，如果鎖已被占用，則線程會(huì)被阻塞直到鎖被釋放。互斥鎖的實(shí)現(xiàn)使用了原子操作，因此它的性能比較高，但也容易出現(xiàn)死鎖情況。

在內(nèi)核中，互斥鎖的定義如下：

structmutex{
raw_spinlock_twait_lock;
structlist_headwait_list;
structtask_struct*owner;
intrecursion;
#ifdefCONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
structlockdep_mapdep_map;
#endif
};

互斥鎖的使用非常簡單，通常只需要調(diào)用兩個(gè)函數(shù)即可完成：

voidmutex_init(structmutex*lock)：函數(shù)用于初始化互斥鎖
voidmutex_lock(structmutex*lock)：函數(shù)用于獲取互斥鎖
voidmutex_unlock(structmutex*lock)：函數(shù)用于釋放互斥鎖

五、讀寫鎖（Reader-Writer Lock）

讀寫鎖是一種特殊的鎖類型，它允許多個(gè)線程同時(shí)讀取共享資源，但只允許一個(gè)線程寫入共享資源。讀寫鎖的實(shí)現(xiàn)使用了兩個(gè)計(jì)數(shù)器，分別記錄當(dāng)前持有鎖的讀線程數(shù)和寫線程數(shù)。

在內(nèi)核中，讀寫鎖的定義如下：

structrw_semaphore{
longcount;
structlist_headwait_list;
#ifdefCONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
structlockdep_mapdep_map;
#endif
};

讀寫鎖的使用也比較簡單，通常只需要調(diào)用三個(gè)函數(shù)即可完成：

init_rwsem(struct rw_semaphore *sem)：函數(shù)用于初始化讀寫鎖
down_read(struct rw_semaphore *sem)：函數(shù)用于獲取讀鎖
up_read(struct rw_semaphore *sem)：函數(shù)用于釋放讀鎖
down_write(struct rw_semaphore *sem)：函數(shù)用于獲取寫鎖
up_write(struct rw_semaphore *sem)：函數(shù)用于釋放寫鎖

六、自旋鎖（spinlock）

自旋鎖是一種保護(hù)共享資源的鎖，它會(huì)在等待期間一直占用CPU。自旋鎖適用于代碼臨界區(qū)比較小的情況，且共享資源的獨(dú)占時(shí)間比較短，這樣就可以避免上下文切換的開銷。自旋鎖不能用于需要睡眠的代碼臨界區(qū)，因?yàn)樵谒咂陂g自旋鎖會(huì)一直占用CPU。

在Linux內(nèi)核中，自旋鎖使用spinlock_t類型表示，可以通過spin_lock()和spin_unlock()函數(shù)對(duì)其進(jìn)行操作。

spin_lock_init(spinlock_t*lock)：用于初始化自旋鎖，將自旋鎖的初始狀態(tài)設(shè)置為未加鎖狀態(tài)。
spin_lock(spinlock_t*lock)：用于獲得自旋鎖，如果自旋鎖已經(jīng)被占用，則當(dāng)前進(jìn)程會(huì)自旋等待，直到自旋鎖可用。
spin_trylock(spinlock_t*lock)：用于嘗試獲取自旋鎖，如果自旋鎖當(dāng)前被占用，則返回0，否則返回1。
spin_unlock(spinlock_t*lock)：用于釋放自旋鎖。

在使用自旋鎖時(shí)，需要注意以下幾點(diǎn)：

自旋鎖只適用于臨界區(qū)代碼比較短的情況，因?yàn)樽孕却倪^程會(huì)占用CPU資源。

自旋鎖不可重入，也就是說，如果一個(gè)進(jìn)程已經(jīng)持有了自旋鎖，那么它不能再次獲取該自旋鎖。

在持有自旋鎖的情況下，應(yīng)該盡量避免調(diào)用可能會(huì)導(dǎo)致調(diào)度的內(nèi)核函數(shù)，比如睡眠函數(shù)，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致死鎖的發(fā)生。

在使用自旋鎖的時(shí)候，應(yīng)該盡量避免嵌套使用不同類型的鎖，比如自旋鎖和讀寫鎖，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致死鎖的發(fā)生。

當(dāng)臨界區(qū)代碼較長或者需要睡眠時(shí)，應(yīng)該使用信號(hào)量或者讀寫鎖來代替自旋鎖。

七、信號(hào)量（semaphore）

信號(hào)量是一種更高級(jí)的鎖機(jī)制，它可以控制對(duì)共享資源的訪問次數(shù)。信號(hào)量可分為二元信號(hào)量和計(jì)數(shù)信號(hào)量。二元信號(hào)量只有0和1兩種狀態(tài)，常用于互斥鎖的實(shí)現(xiàn)；計(jì)數(shù)信號(hào)量則可以允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問同一共享資源，只要它們申請(qǐng)信號(hào)量的數(shù)量不超過該資源所允許的最大數(shù)量。

在Linux內(nèi)核中，信號(hào)量使用struct semaphore結(jié)構(gòu)表示，可以通過down()和up()函數(shù)對(duì)其進(jìn)行操作。

voidsema_init(structsemaphore*sem,intval)：初始化一個(gè)信號(hào)量，val參數(shù)表示初始值。
voiddown(structsemaphore*sem)：嘗試獲取信號(hào)量，如果信號(hào)量值為0，調(diào)用進(jìn)程將被阻塞。
intdown_interruptible(structsemaphore*sem)：嘗試獲取信號(hào)量，如果信號(hào)量值為0，調(diào)用進(jìn)程將被阻塞，并可以被中斷。
intdown_trylock(structsemaphore*sem)：嘗試獲取信號(hào)量，如果信號(hào)量值為0，則立即返回，否則返回錯(cuò)誤。
voidup(structsemaphore*sem)：釋放信號(hào)量，將信號(hào)量的值加 1，并喚醒可能正在等待信號(hào)量的進(jìn)程。

八、該如何選擇正確的鎖

當(dāng)需要對(duì)共享資源進(jìn)行訪問和修改時(shí)，我們通常需要采用同步機(jī)制來保證數(shù)據(jù)的一致性和正確性，其中鎖是最基本的同步機(jī)制之一。不同類型的鎖適用于不同的場景。

互斥鎖適用于需要保護(hù)共享資源，只允許一個(gè)線程或進(jìn)程訪問共享資源的場景。例如，當(dāng)一個(gè)線程正在修改一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時(shí)，其他線程必須等待該線程釋放鎖后才能修改該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

讀寫鎖適用于共享資源的讀寫操作頻繁且讀操作遠(yuǎn)大于寫操作的場景。讀寫鎖允許多個(gè)線程同時(shí)讀取共享資源，但只允許一個(gè)線程寫入共享資源。例如，在一個(gè)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中，讀取操作比寫入操作頻繁，使用讀寫鎖可以提高系統(tǒng)的并發(fā)性能。

自旋鎖適用于保護(hù)共享資源的訪問時(shí)間很短的場景，當(dāng)線程需要等待的時(shí)間很短時(shí)，自旋鎖比互斥鎖的性能更好。例如，在訪問共享資源時(shí)需要進(jìn)行一些簡單的操作，如對(duì)共享資源進(jìn)行遞增或遞減等操作。

信號(hào)量適用于需要協(xié)調(diào)多個(gè)線程或進(jìn)程對(duì)共享資源的訪問的場景，允許多個(gè)線程或進(jìn)程同時(shí)訪問共享資源，但同時(shí)訪問的線程或進(jìn)程數(shù)量有限。例如，在一個(gè)并發(fā)下載系統(tǒng)中，可以使用信號(hào)量來限制同時(shí)下載的文件數(shù)量。

舉個(gè)生活中的例子：當(dāng)我們?cè)谫I咖啡的時(shí)候，柜臺(tái)前可能會(huì)有一個(gè)小桶，上面寫著“請(qǐng)取走您需要的糖果，每人一顆”這樣的字樣。這個(gè)小桶就是一個(gè)信號(hào)量，它限制了每個(gè)人能夠取走的糖果的數(shù)量，從而保證了公平性。

如果我們把這個(gè)小桶換成互斥鎖，那么就可以只允許一個(gè)人在柜臺(tái)前取走糖果。如果使用讀寫鎖，那么在非高峰期的時(shí)候，多個(gè)人可以同時(shí)取走糖果，但在高峰期時(shí)只允許一個(gè)人取走。

而如果我們把這個(gè)小桶換成自旋鎖，那么當(dāng)有人在取走糖果時(shí)，其他人就需要一直在那里等待，直到糖果被取走為止。這樣可能會(huì)造成浪費(fèi)時(shí)間的情況，因?yàn)槠渌丝赡苡懈o急的事情需要處理。

九、總結(jié)

在Linux內(nèi)核中，有四種常見的鎖：互斥鎖、讀寫鎖、自旋鎖和信號(hào)量。這些鎖適用于不同的場景，開發(fā)者需要根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)逆i來確保并發(fā)訪問的正確性和性能。

審核編輯：劉清