第一章 同步与互斥③

1.4 Linux锁的介绍与使用

本节参考：
https://www.kernel.org/doc/html/latest/locking/index.html
https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/people/rusty/kernel-locking/

1.4.1 锁的类型

Linux内核提供了很多类型的锁，它们可以分为两类：
① 自旋锁(spinning lock)；
② 睡眠锁(sleeping lock)。

1.4.1.1 自旋锁

简单地说就是无法获得锁时，不会休眠，会一直循环等待。有这些自旋锁：

自旋锁的加锁、解锁函数是：spin_lock、spin_unlock，还可以加上各种后缀，这表示在加锁或解锁的同时，还会做额外的事情：

1.4.1.2 睡眠锁

简单地说就是无法获得锁时，当前线程就会休眠。有这些休眠锁：

1.4.2 锁的内核函数

1.4.2.1 自旋锁

spinlock函数在内核文件 include\linux\spinlock.h中声明，如下表：

自旋锁的加锁、解锁函数是：spin_lock、spin_unlock，还可以加上各种后缀，这表示在加锁或解锁的同时，还会做额外的事情：

1.4.2.2 信号量

semaphore semaphore函数在内核文件 include\linux\semaphore.h中声明，如下表：

1.4.2.3 互斥量

mutex mutex函数在内核文件 include\linux\mutex.h中声明，如下表：

1.4.2.4 semaphore和 mutex的区别

semaphore中可以指定 count为任意值，比如有 10个厕所，所以 10个人都可以使用厕所。 而 mutex的值只能设置为 1或 0，只有一个厕所。
是不是把 semaphore的值设置为 1后，它就跟 mutex一样了呢？不是的。
看一下 mutex的结构体定义，如下：

它里面有一项成员“struct task_struct *owner”，指向某个进程。一个 mutex只能在进程上下文中使用：谁给 mutex加锁，就只能由谁来解锁。
而 semaphore并没有这些限制，它可以用来解决“读者-写者”问题：程序 A在等待数据──想获得锁，程序 B产生数据后释放锁，这会唤醒 A来读取数据。semaphore的锁定与释放，并不限定为同一个进程。
主要区别列表如下：

1.4.3 何时用何种锁

本节参考：https://wenku.baidu.com/view/26adb3f5f61fb7360b4c656e.html
英文原文：https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/people/rusty/kernel-locking/ 你可能看不懂下面这个表格，请学习完后面的章节再回过头来看这个表格。

举例简单介绍一下，上表中第一行“IRQ Handler A”和第一列“Softirq A”的交叉点是“spin_lock_irq()”，意思就是说如果“IRQ Handler A”和“Softirq A”要竞争临界资源，那么需要使用
“spin_lock_irq()”函数。为什么不能用 spin_lock而要用 spin_lock_irq？也就是为什么要把中断给关掉？假设在 Softirq A中获得了临界资源，这时发生了 IRQ A中断，IRQ Handler A去尝试获得自旋锁，这就会导致死锁：所以需要关中断。

1.4.4 内核抢占(preempt)等额外的概念

早期的的 Linux内核是“不可抢占”的，假设有 A、B两个程序在运行，当前是程序 A在运行，什么时候轮到程序 B运行呢？
① 程序 A主动放弃 CPU：
比如它调用某个系统调用、调用某个驱动，进入内核态后执行了 schedule()主动启动一次调度。
② 程序 A调用系统函数进入内核态，从内核态返回用户态的前夕：
这时内核会判断是否应该切换程序。
③ 程序 A正在用户态运行，发生了中断：
内核处理完中断，继续执行程序 A的用户态指令的前夕，它会判断是否应该切换程序。

从这个过程可知，对于“不可抢占”的内核，当程序 A运行内核态代码时进程是无法切换的(除非程序A主动放弃)，比如执行某个系统调用、执行某个驱动时，进程无法切换。
这会导致 2个问题：
① 优先级反转：
一个低优先级的程序，因为它正在内核态执行某些很耗时的操作，在这一段时间内更高优先级的程序也无法运行。
② 在内核态发生的中断不会导致进程切换

为了让系统的实时性更佳，Linux内核引入了“抢占”(preempt)的功能：进程运行于内核态时，进程调度也是可以发生的。
回到上面的例子，程序 A调用某个驱动执行耗时的操作，在这一段时间内系统是可以切换去执行更高优先级的程序。
对于可抢占的内核，编写驱动程序时要时刻注意：你的驱动程序随时可能被打断、随时是可以被另一个进程来重新执行。对于可抢占的内核，在驱动程序中要考虑对临界资源加锁。

1.4.5 使用场景

本节参考：https://wenku.baidu.com/view/26adb3f5f61fb7360b4c656e.html
英文原文：https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/people/rusty/kernel-locking/

1.4.5.1 只在用户上下文加锁

假设只有程序 A、程序 B会抢占资源，这 2个程序都是可以休眠的，所以可以使用信号量，代码如下：

static DEFINE_SPINLOCK(clock_lock); // 或 struct semaphore sem;  sema_init(&sem, 1); 
if (down_interruptible(&sem))  // if (down_trylock(&sem)) 
{ /* 获得了信号量 */ 
} /* 释放信号量 */ 
up(&sem);  

对于 down_interruptible函数，如果信号量暂时无法获得，此函数会令程序进入休眠；别的程序调用up()函数释放信号量时会唤醒它。
在 down_interruptible函数休眠过程中，如果进程收到了信号，则会从 down_interruptible中返回；对应的有另一个函数 down，在它休眠过程中会忽略任何信号。
注意：“信号量”(semaphore)，不是“信号”(signal)。
也可以使用 mutex，代码如下：

static DEFINE_MUTEX(mutex);  //或 static struct mutex mutex; mutex_init(&mutex); 
mutex_lock(&mutex); 
/* 临界区 */ 
mutex_unlock(&mutex); 

注意：一般来说在同一个函数里调用 mutex_lock或 mutex_unlock，不会长期持有它。这只是惯例，如果你使用 mutex来实现驱动程序只能由一个进程打开，在 drv_open中调用 mutex_lock，在 drv_close中调用 mutex_unlock，这也完全没问题。

1.4.5.2 在用户上下文与 Softirqs之间加锁

假设这么一种情况：程序 A运行到内核态时，正在访问一个临界资源；这时发生了某个硬件中断，在硬件中断处理完后会处理 Softirq，而某个 Softirq也会访问这个临界资源。
怎么办？
在程序 A访问临界资源之前，干脆禁止 Softirq好了！
可以使用 spin_lock_bh函数，它会先禁止本地 CPU的中断下半部即 Softirq，这样本地 Softirq就不会跟它竞争了；假设别的 CPU也想获得这个资源，它也会调用 spin_lock_bh禁止它自己的 Softirq。这 2个 CPU都禁止自己的 Softirq，然后竞争 spinlock，谁抢到谁就先执行。可见，在执行临界资源的过程中，本地 CPU的 Softirq、别的 CPU的 Softirq都无法来抢占当前程序的临界资源。
释放锁的函数是 spin_unlock_bh。
spin_lock_bh/spin_unlock_bh的后缀是“_bh”，表示“Bottom Halves”，中断下半部，这是软件中断的老名字。这些函数改名为 spin_lock_softirq也许更恰当，请记住：spin_lock_bh会禁止 Softirq，而不仅仅是禁止“中断下半部”(timer、tasklet里等都是 Softirq，中断下半部只是 Softirq的一种)。
示例代码如下：

static DEFINE_SPINLOCK(lock); // static spinlock_t lock; spin_lock_init(&lock); 
spin_lock_bh(&lock); 
/* 临界区 */ 
spin_unlock_bh(&lock); 

1.4.5.3 在用户上下文与 Tasklet之间加锁

Tasklet也是 Softirq的一种，所以跟前面是“在用户上下文与 Softirqs之间加锁”完全一样。

1.4.5.4 在用户上下文与 Timer之间加锁

Timer也是 Softirq的一种，所以跟前面是“在用户上下文与 Softirqs之间加锁”完全一样。

1.4.5.5 在 Tasklet与 Timer之间加锁

假设在 Tasklet中访问临界资源，另一个 CPU会不会同时运行这个 Tasklet？不会的，所以如果只是在某个 Tasklet中访问临界资源，无需上锁。
假设在 Timer中访问临界资源，另一个 CPU会不会同时运行这个 timer？不会的，所以如果只是在某个Timer中访问临界资源，无需上锁。
如果在有 2个不同的 Tasklet或 Timer都会用到一个临界资源，那么可以使用 spin_lock()、spin_unlock()来保护临界资源。不需要用 spin_lock_bh()，因为一旦当前 CPU已经处于 Tasklet或 Timer中，同一个 CPU不会同时再执行其他 Tasklet或 Timer。

1.4.5.6 在 Softirq之间加锁

这里讲的 softirq不含 tasklet、timer。
同一个 Softirq是有可能在不同 CPU上同时运行的，所以可以使用 spin_lock()、spin_unlock()来访问临界区。如果追求更高的性能，可以使用“per-CPU array”，本章不涉及。
不同的 Softirq之间，可以使用 spin_lock()、spin_unlock()来访问临界区。

总结起来，在 Softirq之间(含 timer、tasklet、相同的 Softirq、不同的 Softirq)，都可以使用spin_lock()、spin_unlock()来访问临界区。
示例代码如下：

static DEFINE_SPINLOCK(lock); // static spinlock_t lock; spin_lock_init(&lock); spin_lock(&lock); 
/* 临界区 */ 
spin_unlock(&lock); 

1.4.5.7 硬中断上下文

假设一个硬件中断服务例程与一个 Softirq共享数据，需要考虑 2点：
① Softirq执行的过程中，可能会被硬件中断打断；
② 临界区可能会被另一个 CPU上的硬件中断进入。
怎么办？
在 Softirq获得锁之前，禁止当前 CPU的中断。
在硬件中断服务例程中不需要使用 spin_lock_irq()，因为当它在执行的时间 Softirq是不可能执行的；它可以使用 spin_lock()用来防止别的 CPU抢占。
如果硬件中断 A、硬件中断 B都要访问临界资源，怎么办？这篇文章里说要使用 spin_lock_irq()： https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/people/rusty/kernel-locking/
但是我认为使用 spin_lock()就足够了。因为 Linux不支持中断嵌套，即当前 CPU正在处理中断 A时，中断 B不可能在当前 CPU上被处理，不需要再次去禁止中断；当前 CPU正在处理中断 A时，假如有另一个CPU正在处理中断 B，它们使用 spin_lock()实现互斥访问临界资源就可以了。
spin_lock_irq()/spin_unlock_irq()会禁止 /使能中断，另一套函数是spin_lock_irqsave()/spin_unlock_irqrestore()，spin_lock_irqsave()会先保存当前中断状态(使能还是禁止)，再禁止中断；spin_unlock_irqrestore()会恢复之前的中断状态(不一定是使能中断，而是恢复成之前的状态)。
示例代码如下：

static DEFINE_SPINLOCK(lock); // static spinlock_t lock; spin_lock_init(&lock); spin_lock_irq(&lock); 
/* 临界区 */ 
spin_unlock_irq(&lock); 
示例代码如下： 
unsigned long flags; 
static DEFINE_SPINLOCK(lock); // static spinlock_t lock; spin_lock_init(&lock); spin_lock_irqsave(&lock, flags); 
/* 临界区 */ 
spin_unlock_irqrestore(&lock, flags); 

写在最后：这个链接是一篇很好的文档，以后我们会完全翻译出来，现在讲的知识暂时够用了。 https://mirrors.edge.kernel.org/pub/linux/kernel/people/rusty/kernel-locking/