Linux內(nèi)核同步控制方法有很多，信號量、鎖、原子量、RCU等等，不同的實(shí)現(xiàn)方法應(yīng)用于不同的環(huán)境來提高操作系統(tǒng)效率。本文我們就來談?wù)?strong>Linux內(nèi)核5種鎖。

Linux作為多任務(wù)系統(tǒng)，當(dāng)一個進(jìn)程生成的數(shù)據(jù)傳輸?shù)搅硪粋€進(jìn)程時，或數(shù)據(jù)由多個進(jìn)程共享時，或進(jìn)程必須彼此等待時，或需要協(xié)調(diào)資源的使用時，應(yīng)用程序必須彼此通信。而Linux中鎖的作用就是對臨界區(qū)資源的讀寫操作的安全限制。信號量在用戶層可以正常工作，原則上也可以用于解決內(nèi)核內(nèi)部的各種鎖問題。但事實(shí)并非如此：性能是內(nèi)核最首先的一個目標(biāo)，雖然信號量初看起來容易實(shí)現(xiàn)，但其開銷對內(nèi)核來說過大，這也是內(nèi)核中提供了許多不同的鎖和同步機(jī)制的原因。

1.自旋鎖spinlock

自旋鎖的主要特征是使用者在想要獲得臨界區(qū)執(zhí)行權(quán)限時，如果臨界區(qū)已經(jīng)被加鎖，那么自旋鎖并不會阻塞睡眠，等待系統(tǒng)來主動喚醒，而是原地忙輪詢資源是否被釋放加鎖，自旋就是自我旋轉(zhuǎn)，這個名字還是很形象的。自旋鎖有它的優(yōu)點(diǎn)就是避免了系統(tǒng)的喚醒，自己來執(zhí)行輪詢，如果在臨界區(qū)的資源代碼非常短且是原子的，那么使用起來是非常方便的，避免了各種上下文切換，開銷非常小，因此在內(nèi)核的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中自旋鎖被廣泛的使用。

2.互斥鎖mutex

使用者使用互斥鎖時在訪問共享資源之前對進(jìn)行加鎖操作，在訪問完成之后進(jìn)行解鎖操作，誰加鎖誰釋放，其他使用者沒有釋放權(quán)限。 加鎖后，任何其他試圖再次加鎖的線程會被阻塞，直到當(dāng)前進(jìn)程解鎖。 區(qū)別于自旋鎖，互斥鎖無法獲取鎖時將阻塞睡眠，需要系統(tǒng)來喚醒，可以看出來自旋轉(zhuǎn)自己原地旋轉(zhuǎn)來確定鎖被釋放了，互斥鎖由系統(tǒng)來喚醒，但是現(xiàn)實(shí)并不是那么美好的，因?yàn)楹芏鄻I(yè)務(wù)邏輯系統(tǒng)是不知道的，仍然需要業(yè)務(wù)線程執(zhí)行while來輪詢是否可以重新加鎖?？紤]這種情況：解鎖時有多個線程阻塞，那么所有該鎖上的線程都被編程就緒狀態(tài)， 第一個變?yōu)榫途w狀態(tài)的線程又執(zhí)行加鎖操作，那么其他的線程又會進(jìn)入等待，對其他線程而言就是虛假喚醒。 在這種方式下，只有一個線程能夠訪問被互斥鎖保護(hù)的資源。

3.讀寫鎖rwlock

讀寫鎖也叫共享互斥鎖：讀模式共享和寫模式互斥，本質(zhì)上這種非常合理，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)沒有被寫的前提下，多個使用者讀取時完全不需要加鎖的。讀寫鎖有讀加鎖狀態(tài)、寫加鎖狀態(tài)和不加鎖狀態(tài)三種狀態(tài)，當(dāng)讀寫鎖在寫加鎖模式下，任何試圖對這個鎖進(jìn)行加鎖的線程都會被阻塞，直到寫進(jìn)程對其解鎖。

4.RCU鎖

RCU鎖是讀寫鎖的擴(kuò)展版本，簡單來說就是支持多讀多寫同時加鎖，多讀沒什么好說的，但是對于多寫同時加鎖，還是存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)的。RCU鎖翻譯為Read Copy Update Lock，讀-拷貝-更新 鎖。Copy拷貝：寫者在訪問臨界區(qū)時，寫者將先拷貝一個臨界區(qū)副本，然后對副本進(jìn)行修改；Update更新：RCU機(jī)制將在在適當(dāng)時機(jī)使用一個回調(diào)函數(shù)把指向原來臨界區(qū)的指針重新指向新的被修改的臨界區(qū)，鎖機(jī)制中的垃圾收集器負(fù)責(zé)回調(diào)函數(shù)的調(diào)用。更新時機(jī)：沒有CPU再去操作這段被RCU保護(hù)的臨界區(qū)后，這段臨界區(qū)即可回收了，此時回調(diào)函數(shù)即被調(diào)用。從實(shí)現(xiàn)邏輯來看，RCU鎖在多個寫者之間的同步開銷還是比較大的，涉及到多份數(shù)據(jù)拷貝，回調(diào)函數(shù)等，因此這種鎖機(jī)制的使用范圍比較窄，適用于讀多寫少的情況，如網(wǎng)絡(luò)路由表的查詢更新、設(shè)備狀態(tài)表更新等，在業(yè)務(wù)開發(fā)中使用不是很多。

5.可重入鎖和不可重入鎖

Windows下的Mutex和Critical Section是可遞歸的。Linux下的pthread_mutex_t鎖默認(rèn)是非遞歸的。在Linux中可以顯式設(shè)置PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE屬性，將pthread_mutex_t設(shè)為遞歸鎖避免這種場景。 同一個線程可以多次獲取同一個遞歸鎖，不會產(chǎn)生死鎖。而如果一個線程多次獲取同一個非遞歸鎖，則會產(chǎn)生死鎖。

以上提到的linux內(nèi)核5種鎖，是linux內(nèi)核中起著很重要的作用，Linux內(nèi)核提供了各種鎖選項(xiàng)，分別優(yōu)化不同的內(nèi)核數(shù)據(jù)使用模式。除了鎖之外，還有信號量、原子量、RCU等等，我們可以在本站的Linux教程中找到相關(guān)的章節(jié)，具體介紹這些Linux內(nèi)核同步控制方法的使用。