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隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，Linux作為一種開(kāi)源的操作系統(tǒng)，得到了眾多開(kāi)發(fā)者和計(jì)算機(jī)愛(ài)好者的青睞。在Linux系統(tǒng)中，線程作為一種重要的機(jī)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(kāi)創(chuàng)至今，公司以成都網(wǎng)站設(shè)計(jì)、網(wǎng)站建設(shè)、外貿(mào)網(wǎng)站建設(shè)、系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、網(wǎng)絡(luò)推廣、文化傳媒、企業(yè)宣傳、平面廣告設(shè)計(jì)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(guó)內(nèi)多個(gè)省份客戶。擁有多年網(wǎng)站建設(shè)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)。為企業(yè)提供專業(yè)的網(wǎng)站建設(shè)、創(chuàng)意設(shè)計(jì)、宣傳推廣等服務(wù)。 通過(guò)專業(yè)的設(shè)計(jì)、獨(dú)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(zhǎng)過(guò)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(shí)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(gè)輕量級(jí)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(gè)進(jìn)程包括一個(gè)或多個(gè)線程，這些線程共享進(jìn)程資源，但每個(gè)線程又擁有自己獨(dú)立的棧空間、程序計(jì)數(shù)器和線程上下文等。
在Linux系統(tǒng)中，每個(gè)線程都有一個(gè)線程ID（TID）和一個(gè)可能獨(dú)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(kāi)的文件和信號(hào)處理函數(shù)等。
線程的優(yōu)點(diǎn)在于它可以減少進(jìn)程之間的上下文切換開(kāi)銷，同時(shí)它也可以有效利用系統(tǒng)資源。但是線程也存在一些缺點(diǎn)，如同步、互斥的問(wèn)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(gè)線程ID。pthread_attr_t類型是用來(lái)指定線程屬性的參數(shù)，如果這個(gè)參數(shù)為NULL，則線程將使用默認(rèn)屬性。
start_routine是一個(gè)指向函數(shù)的指針，該函數(shù)是線程的入口點(diǎn)。arg是傳入start_routine函數(shù)的參數(shù)。
下面是一個(gè)使用pthread_create()函數(shù)創(chuàng)建線程的實(shí)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(gè)例子中，我們使用pthread_create()函數(shù)創(chuàng)建了一個(gè)名為“task”的線程，并在該線程中輸出了一個(gè)字符串。在主線程中，我們使用pthread_join()函數(shù)來(lái)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(gè)概念。下面是這個(gè)類型的定義：
typedef struct {
volatile int __lock;
} pthread_mutex_t;
其中，__lock變量是用來(lái)表示鎖的狀態(tài)的，它的值為0時(shí)表示鎖是未鎖定狀態(tài)，值為1時(shí)表示鎖已鎖定狀態(tài)。
以下是一個(gè)使用pthread_mutex_t實(shí)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(gè)例子中，我們使用pthread_mutex_t來(lái)保證多個(gè)線程能夠正確地對(duì)count變量進(jìn)行操作。當(dāng)一個(gè)線程使用pthread_mutex_lock()函數(shù)來(lái)鎖定鎖時(shí)，如果鎖已經(jīng)被其它線程鎖定了，則當(dāng)前線程會(huì)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(shí)，使用pthread_mutex_unlock()函數(shù)來(lái)釋放鎖。
三、詳解實(shí)例
下面將通過(guò)一個(gè)實(shí)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(lái)構(gòu)建一個(gè)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(lái)監(jiān)聽(tīng)客戶端的請(qǐng)求，在客戶端的請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，創(chuàng)建一個(gè)新的線程來(lái)處理客戶端的請(qǐng)求。
下面是服務(wù)器端的實(shí)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(gè)例子中，我們使用socket接口來(lái)創(chuàng)建一個(gè)TCP套接字，然后綁定到指定的端口上，并使用listen()函數(shù)來(lái)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)。在接受客戶端的連接請(qǐng)求時(shí)，我們創(chuàng)建了一個(gè)新的線程來(lái)處理客戶端請(qǐng)求，這個(gè)線程的入口點(diǎn)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(qǐng)求，并接收服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)。
以下是客戶端的實(shí)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(gè)例子中，我們使用socket接口來(lái)創(chuàng)建一個(gè)TCP套接字，并使用connect()函數(shù)來(lái)連接服務(wù)器。在向服務(wù)器發(fā)送上傳請(qǐng)求和下載請(qǐng)求時(shí)，我們使用send()函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)時(shí)使用recv()函數(shù)。
相關(guān)問(wèn)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(gè)例子。
- 如何實(shí)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(gè)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(yùn)行起來(lái)后執(zhí)行的函數(shù)
如何實(shí)現(xiàn)linux下多線程之間的互斥與同步
Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)中必須解決的一個(gè)問(wèn)題是多個(gè)進(jìn)程對(duì)共享資源的并發(fā)訪問(wèn)，并發(fā)訪問(wèn)會(huì)導(dǎo)致競(jìng)態(tài)，linux提供了多種解決競(jìng)態(tài)問(wèn)題的方式，這些方式適合不同的應(yīng)用場(chǎng)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(hào)量
讀寫信號(hào)量
BKL（大內(nèi)核鎖）
Seq鎖
一、并發(fā)與競(jìng)態(tài)：
定義：
并發(fā)（concurrency）指的是多個(gè)執(zhí)行單元同時(shí)、并行被執(zhí)行，而并發(fā)的執(zhí)行單元對(duì)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(wèn)則很容易導(dǎo)致競(jìng)態(tài)（race conditions）。
在linux中，主要的競(jìng)態(tài)發(fā)生在如下幾種情況：
1、對(duì)稱多處理器歷辯埋（P）多個(gè)CPU
特點(diǎn)是多個(gè)CPU使用共同的系統(tǒng)總線，因此可訪問(wèn)共同的外設(shè)和存儲(chǔ)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(gè)執(zhí)行單元存在對(duì)共享資源的訪問(wèn)，競(jìng)態(tài)就有可能發(fā)生。
如果中斷處理程序訪問(wèn)進(jìn)程正在訪問(wèn)的資源，則競(jìng)態(tài)也會(huì)會(huì)發(fā)生。
多個(gè)中斷之間本身也可能引起并發(fā)而導(dǎo)致競(jìng)態(tài)（中斷被更高優(yōu)先級(jí)的中斷打斷）。
解決競(jìng)態(tài)問(wèn)題的途徑是保證對(duì)共享資源的互斥訪問(wèn)，所謂互斥訪問(wèn)就是指一個(gè)執(zhí)行單元在訪問(wèn)共享資源的時(shí)候，其他的執(zhí)行單元都被禁止訪問(wèn)。
訪問(wèn)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(jī)制加以保護(hù)，中斷屏蔽，原子操作，自旋鎖，和信號(hào)量都是linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)中可采用的互斥途徑。
臨界區(qū)和競(jìng)爭(zhēng)條件：
所謂臨界區(qū)（critical regions）就是訪問(wèn)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(wèn)，編程者必須保證這些代碼原子地執(zhí)行——也就是說(shuō)，代碼在執(zhí)行結(jié)束前不可被打斷，就如同整個(gè)臨界區(qū)是一個(gè)不可分割的指令一樣，如果兩個(gè)執(zhí)行線程有可能處于同一個(gè)臨界區(qū)中，那么就是程序包含一個(gè)bug，如果這種情況發(fā)生了，我們就稱之為競(jìng)爭(zhēng)條件（race conditions），避免并發(fā)和防止競(jìng)爭(zhēng)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(gè)或多個(gè)執(zhí)行線程和一個(gè)或多個(gè)資源，每個(gè)線程都在等待其中的一個(gè)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(huì)釋放已經(jīng)占有的資源，于是任何線程都無(wú)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(jìng)態(tài)的一種簡(jiǎn)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(lái)實(shí)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(kāi)中斷
特點(diǎn)：
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(wú)法得到處理，因此長(zhǎng)時(shí)間的屏蔽是很危險(xiǎn)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(jìng)態(tài)，所以單獨(dú)使用中斷屏蔽并不是一個(gè)值得推薦的避免競(jìng)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(guò)程中不會(huì)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(huì)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?yàn)橹袛嘀荒馨l(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(duì)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(gè)處理器在獨(dú)立地運(yùn)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(gè)典型的”讀－改－肢螞寫”過(guò)程，涉及兩次內(nèi)存訪問(wèn)。
通俗理解：
原子操作，顧名思義，就是說(shuō)像原子一樣不可再細(xì)分。一個(gè)操作是原子操作，意思就是說(shuō)這個(gè)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(guò)程不能夠被OS的其他行為打斷，是一個(gè)整體的過(guò)程，在其執(zhí)行過(guò)程中，OS的其它行為是插不進(jìn)來(lái)的。
分類：linux內(nèi)核提供了一系列函數(shù)來(lái)實(shí)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(diǎn)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(duì)整數(shù)的原子操作只能對(duì)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(gè)特殊的數(shù)據(jù)類型，而沒(méi)有直接使用C語(yǔ)言的int型，主要是出于兩個(gè)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(shí)，這也確保了該類型的數(shù)據(jù)不會(huì)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(duì)相應(yīng)的值進(jìn)行訪問(wèn)優(yōu)化——這點(diǎn)使得原子操作最終接收到正確的內(nèi)存地址，而不是一個(gè)別名，最后就是在不同體系結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)原子操作的時(shí)候，使用atomic_t可以屏蔽其間的差異。
原子整數(shù)操作最常見(jiàn)的用途就是實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器。
另一點(diǎn)需要說(shuō)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(huì)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(gè)操作是按某個(gè)順序完成的。如果要保證原子操作的順序性，請(qǐng)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(shí)候，能使用原子操作的時(shí)候，就盡量不要使用復(fù)雜的加鎖機(jī)制，對(duì)多數(shù)體系結(jié)構(gòu)來(lái)講，原子操作與更復(fù)雜的同步方法相比較，給系統(tǒng)帶來(lái)的開(kāi)銷小，對(duì)高速緩存行的影響也小，但是，對(duì)于那些有高性能要求的代碼，對(duì)多種同步方法進(jìn)行測(cè)試比較，不失為一種明智的作法。
原子位操作：
針對(duì)位這一級(jí)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的函數(shù)，是對(duì)普通的內(nèi)存地址進(jìn)行操作的。它的參數(shù)是一個(gè)指針和一個(gè)位號(hào)。
為方便其間，內(nèi)核還提供了一組與上述操作對(duì)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(gè)下劃線。例如，與test_bit()對(duì)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(huì)執(zhí)行得更快些。
四、自旋鎖
自旋鎖的引入：
如 果每個(gè)臨界區(qū)都能像增加變量這樣簡(jiǎn)單就好了，可惜現(xiàn)實(shí)不是這樣，而是臨界區(qū)可以跨越多個(gè)函數(shù)，例如：先得從一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)果中移出數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換和解 析，最后再把它加入到另一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，整個(gè)執(zhí)行過(guò)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(jiǎn)單的原子操作是無(wú)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?yàn)橹袛嘀荒馨l(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(lái)提供保護(hù)。
自旋鎖的介紹：
Linux內(nèi)核中最常見(jiàn)的鎖是自旋鎖（spin lock），自旋鎖最多只能被一個(gè)可執(zhí)行線程持有，如果一個(gè)執(zhí)行線程試圖獲得一個(gè)被爭(zhēng)用（已經(jīng)被持有）的自旋鎖，那么該線程就會(huì)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(zhēng)用，請(qǐng)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(shí)間，自旋鎖都可以防止多于一個(gè)的執(zhí)行線程同時(shí)進(jìn)入理解區(qū)，注意同一個(gè)鎖可以用在多個(gè)位置—例如，對(duì)于給定數(shù)據(jù)的所有訪問(wèn)都可以得到保護(hù)和同步。
一個(gè)被爭(zhēng)用的自旋鎖使得請(qǐng)求它的線程在等待鎖重新可用時(shí)自旋（特別浪費(fèi)處理器時(shí)間），所以自旋鎖不應(yīng)該被長(zhǎng)時(shí)間持有，事實(shí)上，這點(diǎn)正是使用自旋鎖的初衷，在短期間內(nèi)進(jìn)行輕量級(jí)加鎖，還可以采取另外的方式來(lái)處理對(duì)鎖的爭(zhēng)用：讓請(qǐng)求線程睡眠，直到鎖重新可用時(shí)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(huì)帶來(lái)一定的開(kāi)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(shí)間更好小于完成兩次上下文切換的耗時(shí)，當(dāng)然我們大多數(shù)人不會(huì)無(wú)聊到去測(cè)量上下文切換的耗時(shí)，所以我們讓持 有自旋鎖的時(shí)間應(yīng)盡可能的短就可以了，信號(hào)量可以提供上述第二種機(jī)制，它使得在發(fā)生爭(zhēng)用時(shí)，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(hào)量，因?yàn)樗鼈儠?huì)導(dǎo)致睡眠），在中斷處理程序中使用自旋鎖時(shí)，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(qǐng)求），否則，中斷處理程序就會(huì)打斷正持有鎖的內(nèi)核代碼，有可能會(huì)試圖去爭(zhēng)用這個(gè)已經(jīng)持有的自旋鎖，這樣以來(lái)，中斷處理程序就會(huì)自旋， 等待該鎖重新可用，但是鎖的持有者在這個(gè)中斷處理程序執(zhí)行完畢前不可能運(yùn)行，這正是我們?cè)谇耙徽鹿?jié)中提到的雙重請(qǐng)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(huì)妨礙鎖的持有者（在不同處理器上）最終釋放鎖。
自旋鎖的簡(jiǎn)單理解：
理解自旋鎖最簡(jiǎn)單的方法是把它作為一個(gè)變量看待，該變量把一個(gè)臨界區(qū)或者標(biāo)記為“我當(dāng)前正在運(yùn)行，請(qǐng)稍等一會(huì)”或者標(biāo)記為“我當(dāng)前不在運(yùn)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(gè)例程時(shí)，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(shí)介紹的幾種信號(hào)量和互斥機(jī)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?？梢蕴峁┍刃盘?hào)量更高的性能。
自旋鎖是一個(gè)互斥設(shè)備，他只能會(huì)兩個(gè)值：“鎖定”和“解鎖”。它通常實(shí)現(xiàn)為某個(gè)整數(shù)之中的單個(gè)位。
“測(cè)試并設(shè)置”的操作必須以原子方式完成。
任何時(shí)候，只要內(nèi)核代碼擁有自旋鎖，在相關(guān)CPU上的搶占就會(huì)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(shí)禁止中斷），不能放棄CPU（如休眠，休眠可發(fā)生在許多無(wú)法預(yù)期的地方）。否則CPU將有可能永遠(yuǎn)自旋下去（死機(jī)）。
（2）擁有自旋鎖的時(shí)間越短越好。
需 要強(qiáng)調(diào)的是，自旋鎖別設(shè)計(jì)用于多處理器的同步機(jī)制，對(duì)于單處理器（對(duì)于單處理器并且不可搶占的內(nèi)核來(lái)說(shuō)，自旋鎖什么也不作），內(nèi)核在編譯時(shí)不會(huì)引入自旋鎖 機(jī)制，對(duì)于可搶占的內(nèi)核，它僅僅被用于設(shè)置內(nèi)核的搶占機(jī)制是否開(kāi)啟的一個(gè)開(kāi)關(guān)，也就是說(shuō)加鎖和解鎖實(shí)際變成了禁止或開(kāi)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(huì)編譯到內(nèi)核中。
內(nèi)核中使用spinlock_t類型來(lái)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(duì)于不支持P的內(nèi)核來(lái)說(shuō)，struct raw_spinlock_t什么也沒(méi)有，是一個(gè)空結(jié)構(gòu)。對(duì)于支持多處理器的內(nèi)核來(lái)說(shuō)，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(shí)現(xiàn)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，說(shuō)它復(fù)雜不是因?yàn)樾枰嗌俅a或邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)它，其實(shí)它的實(shí)現(xiàn)代碼很少。自旋鎖的實(shí)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(yǔ)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(duì)于我們驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，我們沒(méi)有必要了解這么spinlock的內(nèi)部細(xì)節(jié)，如果你對(duì)它感興趣，請(qǐng)參考閱讀Linux內(nèi)核源代碼。對(duì)于我們驅(qū)動(dòng)的spinlock接口，我們只需包括頭文件。在我們?cè)敿?xì)的介紹spinlock的API之前，我們先來(lái)看看自旋鎖的一個(gè)基本使用格式：
#include
spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
spin_lock(&lock);
….
spin_unlock(&lock);
從使用上來(lái)說(shuō)，spinlock的API還很簡(jiǎn)單的，一般我們會(huì)用的的API如下表，其實(shí)它們都是定義在中的宏接口，真正的實(shí)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(dòng)態(tài)初始化。對(duì)于靜態(tài)的spinlock對(duì)象，我們用 SPIN_LOCK_UNLOCKED來(lái)初始化，它是一個(gè)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(jià)的。
DEFINE_SPINLOCK (lock);
spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
spin_lock_init 函數(shù)一般用來(lái)初始化動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的spinlock_t對(duì)象，它的參數(shù)是一個(gè)指向spinlock_t對(duì)象的指針。當(dāng)然，它也可以初始化一個(gè)靜態(tài)的沒(méi)有初始化的spinlock_t對(duì)象。
spinlock_t *lock
……
spin_lock_init(lock);
? 獲取鎖
內(nèi)核提供了三個(gè)函數(shù)用于獲取一個(gè)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(shí)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?yàn)樗鼤?huì)保存加鎖前的中斷標(biāo)志，這樣就會(huì)正確恢復(fù)解鎖時(shí)的中斷標(biāo)志。如果spin_lock_irq在加鎖時(shí)中斷是關(guān)閉的，那么在解鎖時(shí)就會(huì)錯(cuò)誤的開(kāi)啟中斷。
另外兩個(gè)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(duì)應(yīng)，內(nèi)核提供了三個(gè)相對(duì)的函數(shù)來(lái)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(méi)有寫操作，對(duì)于讀是可以支持并發(fā)操作的。對(duì)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(wú)法滿 足這個(gè)要求（對(duì)于讀操作實(shí)在是太浪費(fèi)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(jī)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(gè)寫進(jìn)程，在讀操作方面，同時(shí)可以有多個(gè)讀執(zhí)行單元，當(dāng)然，讀和寫也不能同時(shí)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(duì)象：
// 靜態(tài)初始化
rwlock_t rwlock = RW_LOCK_UNLOCKED;
//動(dòng)態(tài)初始化
rwlock_t *rwlock;
…
rw_lock_init(rwlock);
在讀操作代碼里對(duì)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(huì)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?yàn)樽x自旋鎖會(huì)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(duì)讀寫鎖的一種優(yōu)化，若使用順序瑣，讀執(zhí)行單元絕不會(huì)被寫執(zhí)行單元阻塞，也就是說(shuō)，讀執(zhí)行單元可以在寫執(zhí)行單元對(duì)被順序瑣保護(hù)的共享資源進(jìn)行寫操作時(shí)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(shí)進(jìn)行的概率比較小時(shí)，性能是非常好的，而且它允許讀寫同時(shí)進(jìn)行，因而更大的提高了并發(fā)性，
注意，順序瑣由一個(gè)限制，就是它必須被保護(hù)的共享資源不含有指針，因?yàn)閷憟?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(wèn)該指針，將導(dǎo)致Oops。
七、信號(hào)量
Linux中的信號(hào)量是一種睡眠鎖，如果有一個(gè)任務(wù)試圖獲得一個(gè)已經(jīng)被占用的信號(hào)量時(shí)，信號(hào)量會(huì)將其推進(jìn)一個(gè)等待隊(duì)列，然后讓其睡眠，這時(shí)處理器能重獲自由，從而去執(zhí)行其它代碼，當(dāng)持有信號(hào)量的進(jìn)程將信號(hào)量釋放后，處于等待隊(duì)列中的哪個(gè)任務(wù)被喚醒，并獲得該信號(hào)量。
信號(hào)量，或旗標(biāo)，就是我們?cè)诓僮飨到y(tǒng)里學(xué)習(xí)的經(jīng)典的P/V原語(yǔ)操作。
P：如果信號(hào)量值大于0，則遞減信號(hào)量的值，程序繼續(xù)執(zhí)行，否則，睡眠等待信號(hào)量大于0。
V：遞增信號(hào)量的值，如果遞增的信號(hào)量的值大于0，則喚醒等待的進(jìn)程。
信號(hào)量的值確定了同時(shí)可以有多少個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)，如果信號(hào)量的初始值始1，這信號(hào)量就是互斥信號(hào)量（MUTEX）。對(duì)于大于1的非0值信號(hào)量，也可稱為計(jì)數(shù)信號(hào)量（counting semaphore）。對(duì)于一般的驅(qū)動(dòng)程序使用的信號(hào)量都是互斥信號(hào)量。
類似于自旋鎖，信號(hào)量的實(shí)現(xiàn)也與體系結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，具體的實(shí)現(xiàn)定義在頭文件中，對(duì)于x86_32系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的定義如下：
struct semaphore {
atomic_t count;
int sleepers;
wait_queue_head_t wait;
};
信號(hào)量的初始值count是atomic_t類型的，這是一個(gè)原子操作類型，它也是一個(gè)內(nèi)核同步技術(shù)，可見(jiàn)信號(hào)量是基于原子操作的。我們會(huì)在后面原子操作部分對(duì)原子操作做詳細(xì)介紹。
信號(hào)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(lái)先展示信號(hào)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(hào)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(hào)量
信號(hào)量的初始化包括靜態(tài)初始化和動(dòng)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(hào)量。
static DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name, count);
static DECLARE_MUTEX(name);
對(duì)于動(dòng)態(tài)聲明或創(chuàng)建的信號(hào)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(hào)量。LOCKED則初始化信號(hào)量為鎖狀態(tài)。
? 使用信號(hào)量
信號(hào)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(huì)嘗試獲取指定的信號(hào)量，如果信號(hào)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(huì)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?cè)趦?nèi)核的進(jìn)程管理里在做詳細(xì)介紹。
down_trylock嘗試獲取信號(hào)量， 如果獲取成功則返回0，失敗則會(huì)立即返回非0。
當(dāng)退出臨界區(qū)時(shí)使用up函數(shù)釋放信號(hào)量，如果信號(hào)量上的睡眠隊(duì)列不為空，則喚醒其中一個(gè)等待進(jìn)程。
八、讀寫信號(hào)量
類似于自旋鎖，信號(hào)量也有讀寫信號(hào)量。讀寫信號(hào)量API定義在頭文件中，它的定義其實(shí)也是體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的，因此具體實(shí)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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