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隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，Linux作為一種開源的操作系統(tǒng)，得到了眾多開發(fā)者和計算機愛好者的青睞。在Linux系統(tǒng)中，線程作為一種重要的機制，在許多應(yīng)用程序中得到廣泛的應(yīng)用。
創(chuàng)新互聯(lián)2013年開創(chuàng)至今，公司以成都網(wǎng)站設(shè)計、網(wǎng)站建設(shè)、外貿(mào)網(wǎng)站建設(shè)、系統(tǒng)開發(fā)、網(wǎng)絡(luò)推廣、文化傳媒、企業(yè)宣傳、平面廣告設(shè)計等為主要業(yè)務(wù)，適用行業(yè)近百種。服務(wù)企業(yè)客戶上千多家，涉及國內(nèi)多個省份客戶。擁有多年網(wǎng)站建設(shè)開發(fā)經(jīng)驗。為企業(yè)提供專業(yè)的網(wǎng)站建設(shè)、創(chuàng)意設(shè)計、宣傳推廣等服務(wù)。 通過專業(yè)的設(shè)計、獨特的風(fēng)格，為不同客戶提供各種風(fēng)格的特色服務(wù)。
學(xué)習(xí)Linux線程，相信是每一位程序員成長過程中的必經(jīng)之路。本文將從深入理解線程的概念、輕松上手線程的使用以及詳解實例等方面，為大家呈現(xiàn)一份全面的Linux線程學(xué)習(xí)筆記。
一、深入理解線程的概念
線程是一個輕量級的進(jìn)程，它是程序中執(zhí)行的最小單元，是處理器調(diào)度和分派的基本單位。而進(jìn)程是資源分配和調(diào)度的基本單位。一個進(jìn)程包括一個或多個線程，這些線程共享進(jìn)程資源，但每個線程又擁有自己獨立的?？臻g、程序計數(shù)器和線程上下文等。
在Linux系統(tǒng)中，每個線程都有一個線程ID（TID）和一個可能獨立的堆棧，但是它們共享其它的資源，如進(jìn)程ID、代碼段、數(shù)據(jù)段、打開的文件和信號處理函數(shù)等。
線程的優(yōu)點在于它可以減少進(jìn)程之間的上下文切換開銷，同時它也可以有效利用系統(tǒng)資源。但是線程也存在一些缺點，如同步、互斥的問題。因此，程序員需要根據(jù)具體情況選擇進(jìn)程和線程。
二、輕松上手線程的使用
為了更好地理解線程的使用，我們需要了解一些Linux系統(tǒng)提供的線程API。下面將介紹一些常用的線程API和其基本用法：
1. pthread_create()
pthread_create()函數(shù)是Linux系統(tǒng)中創(chuàng)建線程的最基本函數(shù)之一。該函數(shù)的原型如下所示：
int pthread_create(pthread_t *thread, const pthread_attr_t *attr,
void *(*start_routine) (void *), void *arg);
其中，pthread_t類型是一個線程ID。pthread_attr_t類型是用來指定線程屬性的參數(shù)，如果這個參數(shù)為NULL，則線程將使用默認(rèn)屬性。
start_routine是一個指向函數(shù)的指針，該函數(shù)是線程的入口點。arg是傳入start_routine函數(shù)的參數(shù)。
下面是一個使用pthread_create()函數(shù)創(chuàng)建線程的實例代碼：
#include
#include
void *task(void *arg)
{
printf(“Thread is running …\n”);
return NULL;
}
int mn()
{
pthread_t tid;
pthread_create(&tid, NULL, task, NULL);
printf(“Thead has been created.\n”);
pthread_join(tid, NULL);
printf(“Thead has been finished.\n”);
return 0;
}
在這個例子中，我們使用pthread_create()函數(shù)創(chuàng)建了一個名為“task”的線程，并在該線程中輸出了一個字符串。在主線程中，我們使用pthread_join()函數(shù)來等待“task”線程的結(jié)束。
2. pthread_mutex_t
pthread_mutex_t類型是Linux系統(tǒng)中用于線程同步的一種互斥鎖，它是多線程編程中非常重要的一個概念。下面是這個類型的定義：
typedef struct {
volatile int __lock;
} pthread_mutex_t;
其中，__lock變量是用來表示鎖的狀態(tài)的，它的值為0時表示鎖是未鎖定狀態(tài)，值為1時表示鎖已鎖定狀態(tài)。
以下是一個使用pthread_mutex_t實現(xiàn)線程同步的示例：
#include
#include
pthread_mutex_t lock;
int count = 0;
void *task(void *arg)
{
pthread_mutex_lock(&lock);
printf(“Thread is running, count = %d\n”, count);
count++;
pthread_mutex_unlock(&lock);
return NULL;
}
int mn()
{
int i;
pthread_t tids[10];
pthread_mutex_init(&lock, NULL);
for (i = 0; i
pthread_create(&tids[i], NULL, task, NULL);
}
for (i = 0; i
pthread_join(tids[i], NULL);
}
pthread_mutex_destroy(&lock);
return 0;
}
在這個例子中，我們使用pthread_mutex_t來保證多個線程能夠正確地對count變量進(jìn)行操作。當(dāng)一個線程使用pthread_mutex_lock()函數(shù)來鎖定鎖時，如果鎖已經(jīng)被其它線程鎖定了，則當(dāng)前線程會被阻塞，直到其它線程釋放了鎖。當(dāng)當(dāng)前線程執(zhí)行完操作時，使用pthread_mutex_unlock()函數(shù)來釋放鎖。
三、詳解實例
下面將通過一個實際應(yīng)用，深入地了解Linux線程的使用方法。我們將使用線程來構(gòu)建一個多線程FTP服務(wù)器，供客戶端上傳和下載文件。
1. 服務(wù)器端
服務(wù)器端的主要工作是使用socket接口來監(jiān)聽客戶端的請求，在客戶端的請求到來時，創(chuàng)建一個新的線程來處理客戶端的請求。
下面是服務(wù)器端的實例代碼：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define PORT 8888
#define MAX_LINE 2023
void *client_handler(void *);
int mn()
{
int sock_fd, client_fd;
struct sockaddr_in server_addr, client_addr;
socklen_t client_len;
pthread_t tid;
sock_fd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sock_fd == -1) {
perror(“socket”);
exit(-1);
}
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(PORT);
server_addr.sin_addr.s_addr = htonl(INADDR_ANY);
if (bind(sock_fd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
perror(“bind”);
exit(-1);
}
if (listen(sock_fd, 5) == -1) {
perror(“l(fā)isten”);
exit(-1);
}
client_len = sizeof(client_addr);
while (1) {
client_fd = accept(sock_fd, (struct sockaddr *)&client_addr, &client_len);
if (client_fd == -1) {
perror(“accept”);
break;
}
if (pthread_create(&tid, NULL, client_handler, (void *)client_fd) != 0) {
perror(“pthread_create”);
break;
}
}
close(sock_fd);
return 0;
}
在這個例子中，我們使用socket接口來創(chuàng)建一個TCP套接字，然后綁定到指定的端口上，并使用listen()函數(shù)來進(jìn)行監(jiān)聽。在接受客戶端的連接請求時，我們創(chuàng)建了一個新的線程來處理客戶端請求，這個線程的入口點是client_handler()函數(shù)。
2. 客戶端
客戶端主要的工作是向服務(wù)器發(fā)送上傳和下載請求，并接收服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)。
以下是客戶端的實例代碼：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#define PORT 8888
#define MAX_LINE 2023
char server_ip[] = “127.0.0.1”;
void download_file(int sockfd, char *filename)
{
char buffer[MAX_LINE];
FILE *fp;
int len;
sprintf(buffer, “get %s”, filename);
if (send(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0) == -1) {
perror(“send”);
exit(-1);
}
fp = fopen(filename, “wb”);
if (!fp) {
perror(“fopen”);
exit(-1);
}
while ((len = recv(sockfd, buffer, MAX_LINE, 0)) > 0) {
fwrite(buffer, 1, len, fp);
}
fclose(fp);
}
void upload_file(int sockfd, char *filename)
{
char buffer[MAX_LINE];
FILE *fp;
int len;
sprintf(buffer, “put %s”, filename);
if (send(sockfd, buffer, strlen(buffer), 0) == -1) {
perror(“send”);
exit(-1);
}
fp = fopen(filename, “rb”);
if (!fp) {
perror(“fopen”);
exit(-1);
}
while ((len = fread(buffer, 1, MAX_LINE, fp)) > 0) {
if (send(sockfd, buffer, len, 0) == -1) {
perror(“send”);
exit(-1);
}
}
fclose(fp);
}
int mn()
{
int sockfd;
struct sockaddr_in server_addr;
sockfd = socket(AF_INET, SOCK_STREAM, 0);
if (sockfd == -1) {
perror(“socket”);
exit(-1);
}
memset(&server_addr, 0, sizeof(server_addr));
server_addr.sin_family = AF_INET;
server_addr.sin_port = htons(PORT);
server_addr.sin_addr.s_addr = inet_addr(server_ip);
if (connect(sockfd, (struct sockaddr *)&server_addr, sizeof(server_addr)) == -1) {
perror(“connect”);
exit(-1);
}
upload_file(sockfd, “test.txt”);
download_file(sockfd, “test.txt”);
close(sockfd);
return 0;
}
在這個例子中，我們使用socket接口來創(chuàng)建一個TCP套接字，并使用connect()函數(shù)來連接服務(wù)器。在向服務(wù)器發(fā)送上傳請求和下載請求時，我們使用send()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)時使用recv()函數(shù)。
相關(guān)問題拓展閱讀：
- linux 線程中，線程宿主函數(shù)是什么意思？宿體函數(shù)又是什么意思？二者有什么區(qū)別？更好能舉個例子。
- 如何實現(xiàn)linux下多線程之間的互斥與同步
linux 線程中，線程宿主函數(shù)是什么意思？宿體函數(shù)又是什么意思？二者有什么區(qū)別？更好能舉個例子。
void f(void *arg);
void ff()
{
/弊逗*…*/
pthread_creat(…., …, f, NULL);
}
上面租舉賣例子中ff是宿主，f是宿答臘體
宿主函數(shù)是你調(diào)用建立線程的函數(shù)，而宿體函數(shù)是你線程運行起來后執(zhí)行的函數(shù)
如何實現(xiàn)linux下多線程之間的互斥與同步
Linux設(shè)備驅(qū)動中必須解決的一個問題是多個進(jìn)程對共享資源的并發(fā)訪問，并發(fā)訪問會導(dǎo)致競態(tài)，linux提供了多種解決競態(tài)問題的方式，這些方式適合不同的應(yīng)用場景。
Linux內(nèi)核是多進(jìn)程、多線程的操作系統(tǒng)，它提供了相當(dāng)完整的內(nèi)核同步方法。內(nèi)核同步方法列表如下：
中斷屏蔽
原子操作
自旋鎖
讀寫自旋鎖
順序鎖
信號量
讀寫信號量
BKL（大內(nèi)核鎖）
Seq鎖
一、并發(fā)與競態(tài)：
定義：
并發(fā)（concurrency）指的是多個執(zhí)行單元同時、并行被執(zhí)行，而并發(fā)的執(zhí)行單元對共享資源（硬件資源和軟件上的全局變量、靜態(tài)變量等）的訪問則很容易導(dǎo)致競態(tài)（race conditions）。
在linux中，主要的競態(tài)發(fā)生在如下幾種情況：
1、對稱多處理器歷辯埋（P）多個CPU
特點是多個CPU使用共同的系統(tǒng)總線，因此可訪問共同的外設(shè)和存儲器。
2、單CPU內(nèi)進(jìn)程與搶占它的進(jìn)程
3、中斷（硬中斷、軟中斷、Tasklet、底半部）與進(jìn)程之間
只要并發(fā)的多個執(zhí)行單元存在對共享資源的訪問，競態(tài)就有可能發(fā)生。
如果中斷處理程序訪問進(jìn)程正在訪問的資源，則競態(tài)也會會發(fā)生。
多個中斷之間本身也可能引起并發(fā)而導(dǎo)致競態(tài)（中斷被更高優(yōu)先級的中斷打斷）。
解決競態(tài)問題的途徑是保證對共享資源的互斥訪問，所謂互斥訪問就是指一個執(zhí)行單元在訪問共享資源的時候，其他的執(zhí)行單元都被禁止訪問。
訪問共享資源的代碼區(qū)域被稱為臨界區(qū)，臨界區(qū)需要以某種互斥機制加以保護(hù)，中斷屏蔽，原子操作，自旋鎖，和信號量都是linux設(shè)備驅(qū)動中可采用的互斥途徑。
臨界區(qū)和競爭條件：
所謂臨界區(qū)（critical regions）就是訪問和操作共享數(shù)據(jù)的代碼段，為了避免在臨界區(qū)中并發(fā)訪問，編程者必須保證這些代碼原子地執(zhí)行——也就是說，代碼在執(zhí)行結(jié)束前不可被打斷，就如同整個臨界區(qū)是一個不可分割的指令一樣，如果兩個執(zhí)行線程有可能處于同一個臨界區(qū)中，那么就是程序包含一個bug，如果這種情況發(fā)生了，我們就稱之為競爭條件（race conditions），避免并發(fā)和防止競爭條件被稱為同步。
死鎖：
死鎖的產(chǎn)生需要一定條件：要有一個或多個執(zhí)行線程和一個或多個資源，每個線程都在等待其中的一個資源，但所有的資源都已經(jīng)被占用了，所有線程都在相互等待，但它們永遠(yuǎn)不會釋放已經(jīng)占有的資源，于是任何線程都無法繼續(xù)，這便意味著死鎖的發(fā)生。
二、中斷屏蔽
在單CPU范圍內(nèi)避免競態(tài)的一種簡單方法是在進(jìn)入臨界區(qū)之前屏蔽系統(tǒng)的中斷。
由于linux內(nèi)核的進(jìn)程調(diào)度等操作都依賴中斷來實現(xiàn)，內(nèi)核搶占進(jìn)程之間的并發(fā)也就得以避免了。
中斷屏蔽的使用方法：
local_irq_disable()//屏蔽中斷
//臨界區(qū)
local_irq_enable()//灶念開中斷
特點：
由于linux系統(tǒng)的異步IO，進(jìn)程調(diào)度等很多重要操作都依賴于中斷，在屏蔽中斷期間所有的中斷都無法得到處理，因此長時間的屏蔽是很危險的，有可能造成數(shù)據(jù)丟失甚至系統(tǒng)崩潰，這就要求在屏蔽中斷之后，當(dāng)前的內(nèi)核執(zhí)行路徑應(yīng)當(dāng)盡快地執(zhí)行完臨界區(qū)的代碼。
中斷屏蔽只能禁止本CPU內(nèi)的中斷，因此，并不能解決多CPU引發(fā)的競態(tài)，所以單獨使用中斷屏蔽并不是一個值得推薦的避免競態(tài)的方法，它一般和自旋鎖配合使用。
三、原子操作
定義：原子操作指的是在執(zhí)行過程中不會被別的代碼路徑所中斷的操作。
（原子原本指的是不可分割的微粒，所以原子操作也就是不能夠被分割的指令）
（它保證指令以“原子”的方式執(zhí)行而不能被打斷）
原子操作是不可分割的，在執(zhí)行完畢不會被任何其它任務(wù)或事件中斷。在單處理器系統(tǒng)(UniProcessor)中，能夠在單條指令中完成的操作都可以認(rèn)為是” 原子操作”，因為中斷只能發(fā)生于指令之間。這也是某些CPU指令系統(tǒng)中引入了test_and_set、test_and_clear等指令用于臨界資源互斥的原因。但是，在對稱多處理器(Symmetric Multi-Processor)結(jié)構(gòu)中就不同了，由于系統(tǒng)中有多個處理器在獨立地運行，即使能在單條指令中完成的操作也有可能受到干擾。我們以decl (遞減指令)為例，這是一個典型的”讀－改－肢螞寫”過程，涉及兩次內(nèi)存訪問。
通俗理解：
原子操作，顧名思義，就是說像原子一樣不可再細(xì)分。一個操作是原子操作，意思就是說這個操作是以原子的方式被執(zhí)行，要一口氣執(zhí)行完，執(zhí)行過程不能夠被OS的其他行為打斷，是一個整體的過程，在其執(zhí)行過程中，OS的其它行為是插不進(jìn)來的。
分類：linux內(nèi)核提供了一系列函數(shù)來實現(xiàn)內(nèi)核中的原子操作，分為整型原子操作和位原子操作，共同點是：在任何情況下操作都是原子的，內(nèi)核代碼可以安全的調(diào)用它們而不被打斷。
原子整數(shù)操作：
針對整數(shù)的原子操作只能對atomic_t類型的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在這里之所以引入了一個特殊的數(shù)據(jù)類型，而沒有直接使用C語言的int型，主要是出于兩個原因：
之一、讓原子函數(shù)只接受atomic_t類型的操作數(shù)，可以確保原子操作只與這種特殊類型數(shù)據(jù)一起使用，同時，這也確保了該類型的數(shù)據(jù)不會被傳遞給其它任何非原子函數(shù)；
第二、使用atomic_t類型確保編譯器不對相應(yīng)的值進(jìn)行訪問優(yōu)化——這點使得原子操作最終接收到正確的內(nèi)存地址，而不是一個別名，最后就是在不同體系結(jié)構(gòu)上實現(xiàn)原子操作的時候，使用atomic_t可以屏蔽其間的差異。
原子整數(shù)操作最常見的用途就是實現(xiàn)計數(shù)器。
另一點需要說明原子操作只能保證操作是原子的，要么完成，要么不完成，不會有操作一半的可能，但原子操作并不能保證操作的順序性，即它不能保證兩個操作是按某個順序完成的。如果要保證原子操作的順序性，請使用內(nèi)存屏障指令。
atomic_t和ATOMIC_INIT(i)定義
typedef struct { volatile int counter; } atomic_t;
#define ATOMIC_INIT(i) { (i) }
在你編寫代碼的時候，能使用原子操作的時候，就盡量不要使用復(fù)雜的加鎖機制，對多數(shù)體系結(jié)構(gòu)來講，原子操作與更復(fù)雜的同步方法相比較，給系統(tǒng)帶來的開銷小，對高速緩存行的影響也小，但是，對于那些有高性能要求的代碼，對多種同步方法進(jìn)行測試比較，不失為一種明智的作法。
原子位操作：
針對位這一級數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的函數(shù)，是對普通的內(nèi)存地址進(jìn)行操作的。它的參數(shù)是一個指針和一個位號。
為方便其間，內(nèi)核還提供了一組與上述操作對應(yīng)的非原子位函數(shù)，非原子位函數(shù)與原子位函數(shù)的操作完全相同，但是，前者不保證原子性，且其名字前綴多兩個下劃線。例如，與test_bit()對應(yīng)的非原子形式是_test_bit()，如果你不需要原子性操作（比如，如果你已經(jīng)用鎖保護(hù)了自己的數(shù)據(jù)），那么這些非原子的位函數(shù)相比原子的位函數(shù)可能會執(zhí)行得更快些。
四、自旋鎖
自旋鎖的引入：
如 果每個臨界區(qū)都能像增加變量這樣簡單就好了，可惜現(xiàn)實不是這樣，而是臨界區(qū)可以跨越多個函數(shù)，例如：先得從一個數(shù)據(jù)結(jié)果中移出數(shù)據(jù)，對其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和解 析，最后再把它加入到另一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，整個執(zhí)行過程必須是原子的，在數(shù)據(jù)被更新完畢之前，不能有其他代碼讀取這些數(shù)據(jù)，顯然，簡單的原子操作是無能為力 的（在單處理器系統(tǒng)(UniProcessor)中，能夠在單條指令中完成的操作都可以認(rèn)為是” 原子操作”，因為中斷只能發(fā)生于指令之間），這就需要使用更為復(fù)雜的同步方法——鎖來提供保護(hù)。
自旋鎖的介紹：
Linux內(nèi)核中最常見的鎖是自旋鎖（spin lock），自旋鎖最多只能被一個可執(zhí)行線程持有，如果一個執(zhí)行線程試圖獲得一個被爭用（已經(jīng)被持有）的自旋鎖，那么該線程就會一直進(jìn)行忙循環(huán)—旋轉(zhuǎn)—等待鎖重新可用，要是鎖未被爭用，請求鎖的執(zhí)行線程便能立刻得到它，繼續(xù)執(zhí)行，在任意時間，自旋鎖都可以防止多于一個的執(zhí)行線程同時進(jìn)入理解區(qū)，注意同一個鎖可以用在多個位置—例如，對于給定數(shù)據(jù)的所有訪問都可以得到保護(hù)和同步。
一個被爭用的自旋鎖使得請求它的線程在等待鎖重新可用時自旋（特別浪費處理器時間），所以自旋鎖不應(yīng)該被長時間持有，事實上，這點正是使用自旋鎖的初衷，在短期間內(nèi)進(jìn)行輕量級加鎖，還可以采取另外的方式來處理對鎖的爭用：讓請求線程睡眠，直到鎖重新可用時再喚醒它，這樣處理器就不必循環(huán)等待，可以去執(zhí)行其他代碼，這也會帶來一定的開銷——這里有兩次明顯的上下文切換， 被阻塞的線程要換出和換入。因此，持有自旋鎖的時間更好小于完成兩次上下文切換的耗時，當(dāng)然我們大多數(shù)人不會無聊到去測量上下文切換的耗時，所以我們讓持 有自旋鎖的時間應(yīng)盡可能的短就可以了，信號量可以提供上述第二種機制，它使得在發(fā)生爭用時，等待的線程能投入睡眠，而不是旋轉(zhuǎn)。
自旋鎖可以使用在中斷處理程序中（此處不能使用信號量，因為它們會導(dǎo)致睡眠），在中斷處理程序中使用自旋鎖時，一定要在獲取鎖之前，首先禁止本地中斷（在 當(dāng)前處理器上的中斷請求），否則，中斷處理程序就會打斷正持有鎖的內(nèi)核代碼，有可能會試圖去爭用這個已經(jīng)持有的自旋鎖，這樣以來，中斷處理程序就會自旋， 等待該鎖重新可用，但是鎖的持有者在這個中斷處理程序執(zhí)行完畢前不可能運行，這正是我們在前一章節(jié)中提到的雙重請求死鎖，注意，需要關(guān)閉的只是當(dāng)前處理器上的中斷，如果中斷發(fā)生在不同的處理器上，即使中斷處理程序在同一鎖上自旋，也不會妨礙鎖的持有者（在不同處理器上）最終釋放鎖。
自旋鎖的簡單理解：
理解自旋鎖最簡單的方法是把它作為一個變量看待，該變量把一個臨界區(qū)或者標(biāo)記為“我當(dāng)前正在運行，請稍等一會”或者標(biāo)記為“我當(dāng)前不在運行，可以被使用”。如果A執(zhí)行單元首先進(jìn)入例程，它將持有自旋鎖，當(dāng)B執(zhí)行單元試圖進(jìn)入同一個例程時，將獲知自旋鎖已被持有，需等到A執(zhí)行單元釋放后才能進(jìn)入。
自旋鎖的API函數(shù)：
其實介紹的幾種信號量和互斥機制，其底層源碼都是使用自旋鎖,可以理解為自旋鎖的再包裝。所以從這里就可以理解為什么自旋鎖通常可以提供比信號量更高的性能。
自旋鎖是一個互斥設(shè)備，他只能會兩個值：“鎖定”和“解鎖”。它通常實現(xiàn)為某個整數(shù)之中的單個位。
“測試并設(shè)置”的操作必須以原子方式完成。
任何時候，只要內(nèi)核代碼擁有自旋鎖，在相關(guān)CPU上的搶占就會被禁止。
適用于自旋鎖的核心規(guī)則：
（1）任何擁有自旋鎖的代碼都必須使原子的，除服務(wù)中斷外（某些情況下也不能放棄CPU,如中斷服務(wù)也要獲得自旋鎖。為了避免這種鎖陷阱，需要在擁有自旋鎖時禁止中斷），不能放棄CPU（如休眠，休眠可發(fā)生在許多無法預(yù)期的地方）。否則CPU將有可能永遠(yuǎn)自旋下去（死機）。
（2）擁有自旋鎖的時間越短越好。
需 要強調(diào)的是，自旋鎖別設(shè)計用于多處理器的同步機制，對于單處理器（對于單處理器并且不可搶占的內(nèi)核來說，自旋鎖什么也不作），內(nèi)核在編譯時不會引入自旋鎖 機制，對于可搶占的內(nèi)核，它僅僅被用于設(shè)置內(nèi)核的搶占機制是否開啟的一個開關(guān)，也就是說加鎖和解鎖實際變成了禁止或開啟內(nèi)核搶占功能。如果內(nèi)核不支持搶 占，那么自旋鎖根本就不會編譯到內(nèi)核中。
內(nèi)核中使用spinlock_t類型來表示自旋鎖，它定義在：
typedef struct {
raw_spinlock_t raw_lock;
#if defined(CONFIG_PREEMPT) && defined(CONFIG_P)
unsigned int break_lock;
#endif
} spinlock_t;
對于不支持P的內(nèi)核來說，struct raw_spinlock_t什么也沒有，是一個空結(jié)構(gòu)。對于支持多處理器的內(nèi)核來說，struct raw_spinlock_t定義為
typedef struct {
unsigned int slock;
} raw_spinlock_t;
slock表示了自旋鎖的狀態(tài)，“1”表示自旋鎖處于解鎖狀態(tài)（UNLOCK），“0”表示自旋鎖處于上鎖狀態(tài)（LOCKED）。
break_lock表示當(dāng)前是否由進(jìn)程在等待自旋鎖，顯然，它只有在支持搶占的P內(nèi)核上才起作用。
自旋鎖的實現(xiàn)是一個復(fù)雜的過程，說它復(fù)雜不是因為需要多少代碼或邏輯來實現(xiàn)它，其實它的實現(xiàn)代碼很少。自旋鎖的實現(xiàn)跟體系結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，核心代碼基本也是由匯編語言寫成，與體協(xié)結(jié)構(gòu)相關(guān)的核心代碼都放在相關(guān)的目錄下，比如。對于我們驅(qū)動程序開發(fā)人員來說，我們沒有必要了解這么spinlock的內(nèi)部細(xì)節(jié)，如果你對它感興趣，請參考閱讀Linux內(nèi)核源代碼。對于我們驅(qū)動的spinlock接口，我們只需包括頭文件。在我們詳細(xì)的介紹spinlock的API之前，我們先來看看自旋鎖的一個基本使用格式：
#include
spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
spin_lock(&lock);
….
spin_unlock(&lock);
從使用上來說，spinlock的API還很簡單的，一般我們會用的的API如下表，其實它們都是定義在中的宏接口，真正的實現(xiàn)在中
#include
SPIN_LOCK_UNLOCKED
DEFINE_SPINLOCK
spin_lock_init( spinlock_t *)
spin_lock(spinlock_t *)
spin_unlock(spinlock_t *)
spin_lock_irq(spinlock_t *)
spin_unlock_irq(spinlock_t *)
spin_lock_irqsace(spinlock_t *，unsigned long flags)
spin_unlock_irqsace(spinlock_t *, unsigned long flags)
spin_trylock(spinlock_t *)
spin_is_locked(spinlock_t *)
? 初始化
spinlock有兩種初始化形式，一種是靜態(tài)初始化，一種是動態(tài)初始化。對于靜態(tài)的spinlock對象，我們用 SPIN_LOCK_UNLOCKED來初始化，它是一個宏。當(dāng)然，我們也可以把聲明spinlock和初始化它放在一起做，這就是 DEFINE_SPINLOCK宏的工作，因此，下面的兩行代碼是等價的。
DEFINE_SPINLOCK (lock);
spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
spin_lock_init 函數(shù)一般用來初始化動態(tài)創(chuàng)建的spinlock_t對象，它的參數(shù)是一個指向spinlock_t對象的指針。當(dāng)然，它也可以初始化一個靜態(tài)的沒有初始化的spinlock_t對象。
spinlock_t *lock
……
spin_lock_init(lock);
? 獲取鎖
內(nèi)核提供了三個函數(shù)用于獲取一個自旋鎖。
spin_lock：獲取指定的自旋鎖。
spin_lock_irq：禁止本地中斷并獲取自旋鎖。
spin_lock_irqsace：保存本地中斷狀態(tài)，禁止本地中斷并獲取自旋鎖，返回本地中斷狀態(tài)。
自旋鎖是可以使用在中斷處理程序中的，這時需要使用具有關(guān)閉本地中斷功能的函數(shù)，我們推薦使用 spin_lock_irqsave，因為它會保存加鎖前的中斷標(biāo)志，這樣就會正確恢復(fù)解鎖時的中斷標(biāo)志。如果spin_lock_irq在加鎖時中斷是關(guān)閉的，那么在解鎖時就會錯誤的開啟中斷。
另外兩個同自旋鎖獲取相關(guān)的函數(shù)是：
spin_trylock()：嘗試獲取自旋鎖，如果獲取失敗則立即返回非0值，否則返回0。
spin_is_locked()：判斷指定的自旋鎖是否已經(jīng)被獲取了。如果是則返回非0，否則，返回0。
? 釋放鎖
同獲取鎖相對應(yīng)，內(nèi)核提供了三個相對的函數(shù)來釋放自旋鎖。
spin_unlock：釋放指定的自旋鎖。
spin_unlock_irq：釋放自旋鎖并激活本地中斷。
spin_unlock_irqsave：釋放自旋鎖，并恢復(fù)保存的本地中斷狀態(tài)。
五、讀寫自旋鎖
如 果臨界區(qū)保護(hù)的數(shù)據(jù)是可讀可寫的，那么只要沒有寫操作，對于讀是可以支持并發(fā)操作的。對于這種只要求寫操作是互斥的需求，如果還是使用自旋鎖顯然是無法滿 足這個要求（對于讀操作實在是太浪費了）。為此內(nèi)核提供了另一種鎖－讀寫自旋鎖，讀自旋鎖也叫共享自旋鎖，寫自旋鎖也叫排他自旋鎖。
讀寫自旋鎖是一種比自旋鎖粒度更小的鎖機制，它保留了“自旋”的概念，但是在寫操作方面，只能最多有一個寫進(jìn)程，在讀操作方面，同時可以有多個讀執(zhí)行單元，當(dāng)然，讀和寫也不能同時進(jìn)行。
讀寫自旋鎖的使用也普通自旋鎖的使用很類似，首先要初始化讀寫自旋鎖對象：
// 靜態(tài)初始化
rwlock_t rwlock = RW_LOCK_UNLOCKED;
//動態(tài)初始化
rwlock_t *rwlock;
…
rw_lock_init(rwlock);
在讀操作代碼里對共享數(shù)據(jù)獲取讀自旋鎖：
read_lock(&rwlock);
…
read_unlock(&rwlock);
在寫操作代碼里為共享數(shù)據(jù)獲取寫自旋鎖：
write_lock(&rwlock);
…
write_unlock(&rwlock);
需要注意的是，如果有大量的寫操作，會使寫操作自旋在寫自旋鎖上而處于寫?zhàn)囸I狀態(tài)（等待讀自旋鎖的全部釋放），因為讀自旋鎖會自由的獲取讀自旋鎖。
讀寫自旋鎖的函數(shù)類似于普通自旋鎖，這里就不一一介紹了，我們把它列在下面的表中。
RW_LOCK_UNLOCKED
rw_lock_init(rwlock_t *)
read_lock(rwlock_t *)
read_unlock(rwlock_t *)
read_lock_irq(rwlock_t *)
read_unlock_irq(rwlock_t *)
read_lock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
read_unlock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
write_lock(rwlock_t *)
write_unlock(rwlock_t *)
write_lock_irq(rwlock_t *)
write_unlock_irq(rwlock_t *)
write_lock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
write_unlock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
rw_is_locked(rwlock_t *)
六、順序瑣
順序瑣（seqlock）是對讀寫鎖的一種優(yōu)化，若使用順序瑣，讀執(zhí)行單元絕不會被寫執(zhí)行單元阻塞，也就是說，讀執(zhí)行單元可以在寫執(zhí)行單元對被順序瑣保護(hù)的共享資源進(jìn)行寫操作時仍然可以繼續(xù)讀，而不必等待寫執(zhí)行單元完成寫操作，寫執(zhí)行單元也不需要等待所有讀執(zhí)行單元完成讀操作才去進(jìn)行寫操作。
但是，寫執(zhí)行單元與寫執(zhí)行單元之間仍然是互斥的，即如果有寫執(zhí)行單元在進(jìn)行寫操作，其它寫執(zhí)行單元必須自旋在哪里，直到寫執(zhí)行單元釋放了順序瑣。
如果讀執(zhí)行單元在讀操作期間，寫執(zhí)行單元已經(jīng)發(fā)生了寫操作，那么，讀執(zhí)行單元必須重新讀取數(shù)據(jù)，以便確保得到的數(shù)據(jù)是完整的，這種鎖在讀寫同時進(jìn)行的概率比較小時，性能是非常好的，而且它允許讀寫同時進(jìn)行，因而更大的提高了并發(fā)性，
注意，順序瑣由一個限制，就是它必須被保護(hù)的共享資源不含有指針，因為寫執(zhí)行單元可能使得指針失效，但讀執(zhí)行單元如果正要訪問該指針，將導(dǎo)致Oops。
七、信號量
Linux中的信號量是一種睡眠鎖，如果有一個任務(wù)試圖獲得一個已經(jīng)被占用的信號量時，信號量會將其推進(jìn)一個等待隊列，然后讓其睡眠，這時處理器能重獲自由，從而去執(zhí)行其它代碼，當(dāng)持有信號量的進(jìn)程將信號量釋放后，處于等待隊列中的哪個任務(wù)被喚醒，并獲得該信號量。
信號量，或旗標(biāo)，就是我們在操作系統(tǒng)里學(xué)習(xí)的經(jīng)典的P/V原語操作。
P：如果信號量值大于0，則遞減信號量的值，程序繼續(xù)執(zhí)行，否則，睡眠等待信號量大于0。
V：遞增信號量的值，如果遞增的信號量的值大于0，則喚醒等待的進(jìn)程。
信號量的值確定了同時可以有多少個進(jìn)程可以同時進(jìn)入臨界區(qū)，如果信號量的初始值始1，這信號量就是互斥信號量（MUTEX）。對于大于1的非0值信號量，也可稱為計數(shù)信號量（counting semaphore）。對于一般的驅(qū)動程序使用的信號量都是互斥信號量。
類似于自旋鎖，信號量的實現(xiàn)也與體系結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，具體的實現(xiàn)定義在頭文件中，對于x86_32系統(tǒng)來說，它的定義如下：
struct semaphore {
atomic_t count;
int sleepers;
wait_queue_head_t wait;
};
信號量的初始值count是atomic_t類型的，這是一個原子操作類型，它也是一個內(nèi)核同步技術(shù)，可見信號量是基于原子操作的。我們會在后面原子操作部分對原子操作做詳細(xì)介紹。
信號量的使用類似于自旋鎖，包括創(chuàng)建、獲取和釋放。我們還是來先展示信號量的基本使用形式：
static DECLARE_MUTEX(my_sem);
……
if (down_interruptible(&my_sem))
{
return -ERESTARTSYS;
}
……
up(&my_sem)
Linux內(nèi)核中的信號量函數(shù)接口如下：
static DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name, count);
static DECLARE_MUTEX(name);
seam_init(struct semaphore *, int);
init_MUTEX(struct semaphore *);
init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *)
down_interruptible(struct semaphore *);
down(struct semaphore *)
down_trylock(struct semaphore *)
up(struct semaphore *)
? 初始化信號量
信號量的初始化包括靜態(tài)初始化和動態(tài)初始化。靜態(tài)初始化用于靜態(tài)的聲明并初始化信號量。
static DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name, count);
static DECLARE_MUTEX(name);
對于動態(tài)聲明或創(chuàng)建的信號量，可以使用如下函數(shù)進(jìn)行初始化：
seam_init(sem, count);
init_MUTEX(sem);
init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *)
顯然，帶有MUTEX的函數(shù)始初始化互斥信號量。LOCKED則初始化信號量為鎖狀態(tài)。
? 使用信號量
信號量初始化完成后我們就可以使用它了
down_interruptible(struct semaphore *);
down(struct semaphore *)
down_trylock(struct semaphore *)
up(struct semaphore *)
down函數(shù)會嘗試獲取指定的信號量，如果信號量已經(jīng)被使用了，則進(jìn)程進(jìn)入不可中斷的睡眠狀態(tài)。down_interruptible則會使進(jìn)程進(jìn)入可中斷的睡眠狀態(tài)。關(guān)于進(jìn)程狀態(tài)的詳細(xì)細(xì)節(jié)，我們在內(nèi)核的進(jìn)程管理里在做詳細(xì)介紹。
down_trylock嘗試獲取信號量， 如果獲取成功則返回0，失敗則會立即返回非0。
當(dāng)退出臨界區(qū)時使用up函數(shù)釋放信號量，如果信號量上的睡眠隊列不為空，則喚醒其中一個等待進(jìn)程。
八、讀寫信號量
類似于自旋鎖，信號量也有讀寫信號量。讀寫信號量API定義在頭文件中，它的定義其實也是體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的，因此具體實現(xiàn)定義在頭文件中，以下是x86的例子：
struct rw_semaphore {
signed long count;
spinlock_t wait_lock;
struct list_head wait_list;
};
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