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详解Linux内核5种锁

更新时间:2020-12-16 17:44 浏览116次 来源:银猪在线

Linux内核同步控制方法有很多,信号量、锁、原子量、RCU等等,不同的实现方法应用于不同的环境来提高操作系统效率。本文我们就来谈谈Linux内核5种锁

 

Linux作为多任务系统,当一个进程生成的数据传输到另一个进程时,或数据由多个进程共享时,或进程必须彼此等待时,或需要协调资源的使用时,应用程序必须彼此通信。而Linux中锁的作用就是对临界区资源的读写操作的安全限制。信号量在用户层可以正常工作,原则上也可以用于解决内核内部的各种锁问题。但事实并非如此:性能是内核最首先的一个目标,虽然信号量初看起来容易实现,但其开销对内核来说过大,这也是内核中提供了许多不同的锁和同步机制的原因。

 

1.自旋锁spinlock

自旋锁的主要特征是使用者在想要获得临界区执行权限时,如果临界区已经被加锁,那么自旋锁并不会阻塞睡眠,等待系统来主动唤醒,而是原地忙轮询资源是否被释放加锁,自旋就是自我旋转,这个名字还是很形象的。自旋锁有它的优点就是避免了系统的唤醒,自己来执行轮询,如果在临界区的资源代码非常短且是原子的,那么使用起来是非常方便的,避免了各种上下文切换,开销非常小,因此在内核的一些数据结构中自旋锁被广泛的使用。

 

2.互斥锁mutex

使用者使用互斥锁时在访问共享资源之前对进行加锁操作,在访问完成之后进行解锁操作,谁加锁谁释放,其他使用者没有释放权限。 加锁后,任何其他试图再次加锁的线程会被阻塞,直到当前进程解锁。 区别于自旋锁,互斥锁无法获取锁时将阻塞睡眠,需要系统来唤醒,可以看出来自旋转自己原地旋转来确定锁被释放了,互斥锁由系统来唤醒,但是现实并不是那么美好的,因为很多业务逻辑系统是不知道的,仍然需要业务线程执行while来轮询是否可以重新加锁。考虑这种情况:解锁时有多个线程阻塞,那么所有该锁上的线程都被编程就绪状态, 第一个变为就绪状态的线程又执行加锁操作,那么其他的线程又会进入等待,对其他线程而言就是虚假唤醒。 在这种方式下,只有一个线程能够访问被互斥锁保护的资源。

 

3.读写锁rwlock

读写锁也叫共享互斥锁:读模式共享和写模式互斥,本质上这种非常合理,因为在数据没有被写的前提下,多个使用者读取时完全不需要加锁的。读写锁有读加锁状态、写加锁状态和不加锁状态三种状态,当读写锁在写加锁模式下,任何试图对这个锁进行加锁的线程都会被阻塞,直到写进程对其解锁。

 

4.RCU锁

RCU锁是读写锁的扩展版本,简单来说就是支持多读多写同时加锁,多读没什么好说的,但是对于多写同时加锁,还是存在一些技术挑战的。RCU锁翻译为Read Copy Update Lock,读-拷贝-更新 锁。Copy拷贝:写者在访问临界区时,写者将先拷贝一个临界区副本,然后对副本进行修改;Update更新:RCU机制将在在适当时机使用一个回调函数把指向原来临界区的指针重新指向新的被修改的临界区,锁机制中的垃圾收集器负责回调函数的调用。更新时机:没有CPU再去操作这段被RCU保护的临界区后,这段临界区即可回收了,此时回调函数即被调用。从实现逻辑来看,RCU锁在多个写者之间的同步开销还是比较大的,涉及到多份数据拷贝,回调函数等,因此这种锁机制的使用范围比较窄,适用于读多写少的情况,如网络路由表的查询更新、设备状态表更新等,在业务开发中使用不是很多。

 

5.可重入锁和不可重入锁

Windows下的Mutex和Critical Section是可递归的。Linux下的pthread_mutex_t锁默认是非递归的。在Linux中可以显式设置PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE属性,将pthread_mutex_t设为递归锁避免这种场景。 同一个线程可以多次获取同一个递归锁,不会产生死锁。而如果一个线程多次获取同一个非递归锁,则会产生死锁。

 

以上提到的linux内核5种锁,是linux内核中起着很重要的作用,Linux内核提供了各种锁选项,分别优化不同的内核数据使用模式。除了锁之外,还有信号量、原子量、RCU等等,我们可以在本站的Linux教程中找到相关的章节,具体介绍这些Linux内核同步控制方法的使用。


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