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内核

内核同步方法

· 约 9 分钟

原子操作

  1. 强制的类型隔离与安全检查： 如果用普通 int，开发者可能会不小心把这个变量传给普通的加减函数，导致非原子访问，引发数据竞态。定义成特殊的 atomic_t 结构体后，你只能通过内核专用的 API（比如 atomic_inc()、atomic_read()）去操作它。C 语言的编译器会帮你做严格的类型检查，防止误用。

  2. 防止编译器过度优化（核心考点 volatile）： 你看代码片段里的 volatile int counter;。volatile 关键字在这里至关重要。它警告编译器：“这个变量的值随时可能被其他 CPU 核心或硬件中断意外改变，绝对不要把它缓存到寄存器里”。这强制 CPU 每次读取或修改这个变量时，都必须老老实实地去访问真正的内存地址，确保拿到的是最新值。

  3. 屏蔽不同底层硬件架构的差异：这也是结构体封装的好处，不管底层硬件是怎么实现原子操作的，对外提供的 API 永远是一致的。

Atomic_t

其定义在<linux/types.h>中

typedef struct 
{
  volatile int counter;
}atomic_t

其原子操作是源于修改这个数据结构的API会调用底层的硬件API来保证这个操作是原子的

内核同步方法 配图 1

原子位操作

当你要对一个正常数据进行位操作时，你希望这个操作时原子性的就要用到原子位操作，相关的文件定义在<asm/bitops.h>中

就是说使用普通的变量，但是像set_bit这种api他是可以保证这个操作具有原子性

内核同步方法 配图 2

自旋锁

需要对保证一系列的动作都是原子的，而不是单单修改变量是原子的，这就要用到锁的操作

自旋锁就是最常见的锁，一个自旋锁最多只能被一个线程持有，当另一个线程想要获取这个锁时，就是等待当持有自旋锁的线程结束，才能获取到锁

在linux中，自旋锁的定义在<asm/spinlock.h>和<linux/spinlock.h>中,使用方式如下：

DEFINE_SPINLOCK(mr_lock);
spin_lock(&mr_lock)
/*··········*/
spin_unlock(&mr_lock);

内核同步方法 配图 3

读写自旋锁

当一段临界区的数据需要被多个线程读取，却很少修改时，如果给他加上自旋锁，就会导致多线程读取数据变成串行的，导致性能下降，为了解决这一问题，读写自旋锁就应运而生了

机制

底层实现

使用方法

DEFINE_RWLOCK(mr_rwlock);

read_lock(&mr_rwlock);

read_unlock(&mr_rwlock);

write_lock(&mr_rwlock);
write_unlock(&mr_rwlock);

常见API

内核同步方法 配图 4

信号量

自旋锁是站着干等，不休息，而信号量就是拿号排队，没号休息等待通知

信号量内部维护着一个可用资源的数量（假设为 S）。对信号量的操作只能通过两个原语（不可分割的原子操作）来进行，通常被称为 P 操作（等待/获取）和 V 操作（发送/释放）：

计数信号量

初始值大于 1。它允许多个线程同时进入临界区，只要不超过资源总数

二值信号量

初始值设为 1。它的状态只能是 0 或 1，功能上非常类似于互斥锁（Mutex）。一次只允许一个线程访问临界区。

信号量的操作

文件在<asm/semaphore.h>中

struct semaphore name;
sema_init(&name,count);

static DECLARE_MUXTEX(name)l

内核同步方法 配图 5

读写信号量

定义在<linux/rwsem.h>

和读写自旋锁类似，持有读锁的线程不限，但是持有写锁的线程只能有一个

static DECLARE_RWSEM（mr_rwsem）l
down_read(&mr_rwsem);

up_read(&mr_rwsem);

down_write（&mr_rwsem）;

up_write(&mr_sem);

互斥体

互斥体和二值信号量类似都是只允许一个线程进入临界区，但是互斥体拥有严格的所有权，哪个线程加的锁就必须由对应的线程解锁，二值信号量则任何线程都可以释放

内核同步方法 配图 6

互斥体的对应API

内核同步方法 配图 7

在中断上下文中只能使用自旋锁

在任务睡眠时只能使用互斥体

完成量

完成变量用于一个线程发出信号通知另一个线程发生了某件事。类似于信号量 内核同步方法 配图 8

顺序锁

在读写自旋锁中，有一个致命的问题就是“写者饥饿”，如果有源源不断的读者进来，那么写者就拿不到锁

为了解决这一问题，linux内核就引入了顺序锁也叫seq锁，它巧妙地引入了一个递增的整型序列号（Sequence Counter）