Linux内核中锁的使用

目录

一、前要

二、识别和保护代码中的临界部分

1、比较安全的情况

2、竞争的环境

3、锁的顺序

4、死锁场景发生

三、如何选择spinlock mutex

1、考虑等待的时间

2、理论上决定使用哪种锁

3、如何决定使用哪种锁

四、mutex lock

1、可中断睡眠和不可中断睡眠

2、忙碌等待，测试锁可用性 

3、信号量与mutex

4、互斥锁与信号量的不同

五、spinlock

锁中睡眠检测

六、锁与中断

可能死锁

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一、前要

在 汇编翻译网址中，左侧是C语言，右侧是汇编语言。一条i++指令，翻译成汇编有三条（黄色底纹） 

在使用O2优化后，一条i++指令，只有一条汇编指令。

总结：

翻译译成3条指令，需要加锁；-O2优化后，一条指令不需要加锁，本身就是原子的。

事先不知道用什么优化选项，所以需要加锁保护数据原子执行。

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临界区：代码路径能够被并行执行，可以共享写数据；

临界区的资源需要保护：也就是说，它必须以相互排斥的方式单独运行/序列化/运行；

二、识别和保护代码中的临界部分

1、比较安全的情况

• 局部变量，在线程私有栈上分配的内存空间；
• 只读的变量；
• 共享写变量不会运行在其他上下文中；

2、竞争的环境

• SMP架构，多核架构
• 竞争的内核
• 阻塞的I/O
• 硬件中断

写程序时如何正确的使用锁
锁的粒度：在大项目中，使用太少的锁是个问题。导致性能问题，拥有大量锁实际上对性能有好处，对复杂度不友好。在项目中，使用一个锁保护一个全局变量是比较典型的用法。

3、锁的顺序

• 必须使用相同顺序
• 避免循环锁的使用
• 防止饥饿产生，有加锁，很快就要有解锁

简单化：

• 避免复杂化或过度设计，尤其关于复杂场景设计的锁

4、死锁场景发生

• 单个锁，进程上下文：尝试两次获取相同的锁，导致死锁
• 多个锁，进程上下文：

        在CPU0，线程A获取锁A，同时想获取锁B；并发性的，在CPU1线程B获取锁B，同时想获取锁A，导致AB-BA死锁。进一步扩展，可能是AB-BC-CA循环依赖的死锁。

• 单个锁，进程与中断上下文

锁A发生在中断上下文中：如果中断发生，中断处理函数尝试获取锁A，导致死锁。因此，在中断上下文中获取的锁必须始终在禁用中断的情况下使用。

• 更加复杂的情况，多锁，多进程和中断上下文中：

遵循锁的顺序：获取-释放。复杂的场景导致死锁，可以使用lockdep来检测。

三、如何选择spinlock mutex

1、考虑等待的时间

mutex lock 是睡眠锁，在等待锁时将睡眠，再锁被释放后，内核唤醒等待的进程运行；
spinlock 是不睡眠，一直轮询等待；

睡眠唤醒上下文切换开销，轮询也有开销，比较其时间大小。

2、理论上决定使用哪种锁

• 花在临界区的时间 t1 = t3-t2
• 上下文切换的时间 t2，那么最小的花费在mutex lock/unlock的时间 是 2 * t2

2 * t2 > t1

结论
如果临界区等待的时间小于两次上下文切换的时间，使用mutex是不对的，开销太大；
在临界区的时间很小，非阻塞的临界区，使用spinlock比mutex优越；

3、如何决定使用哪种锁

实际上，如何计算上述的两个时间是不现实的。
一般来说：

1. 使用spinlock 临界区资源运行在原子（中断）上下文，或者在进程上下文，不能睡眠
2. 使用mutex lock 临界区运行在进程上下文并可以睡眠。
3. 当然，使用spinlock考虑比mutex开销低，可以再进程上下文中使用spinlock

那么如何区分程序运行的进程、中断上下文呢？使用PRINT_CTX()宏

if(in_task())
	In process contex
else
	Atomic or interrput contex

四、mutex lock

1、可中断睡眠和不可中断睡眠

在人机交互应用程序中，一般的经验，通常应该将进程置于可中断的睡眠状态。
此外，不可中断状态的睡眠更多一些，必须无限期阻塞等待，任务不能打断阻塞的等待。

mutex_lock()是不可打断的， muten_lock_interruptible()是可以打断的；前者的速度快一些，用在临界区非常短的条件下

2、忙碌等待，测试锁可用性 

mutex_trylock(struct mutex *lock)

返回值 1 ：锁可用获取到 0： 还在竞争中

3、信号量与mutex

 down_[interruptible]
 up()

4、互斥锁与信号量的不同

• 信号量是互斥体的更广义形式;互斥锁可以只获取一次（随后释放或解锁），而信号量可以多次获取（并随后释放）。
• 互斥体用于保护关键部分不被同时访问；而信号量应用作一种机制，以向另一个等待任务发出信号（通常，生产者任务通过信号量对象发布信号，消费者任务正在等待接收该信号，以便继续进一步的工作）。
• 互斥锁具有所有权的概念，只有所有者上下文才能执行解锁;二进制信号量没有所有权。

五、spinlock

头文件
动态申请

     spinlock_t lock
     spin_lock_init(&lock)

静态申请  

 DEFINE_SPINLOCK(lock)

基本用法 

  void spin_lock(spinlock_t *lock);
   
  void spin_unlock(spinlock *lock);

锁中睡眠检测

内核配置：CONFIG_DEBUG_ATOMIC_SLEEP 

 spin_lock()
  schedule_timeout();
 spin_unlock()

其内部引起schedule() 

[  405.049171] BUG: scheduling while atomic: rdwr_test_secre/895/0x00000002
[  405.049935] Modules linked in: miscdrv_rdwr_spinlock(OE)
[  405.053302] CPU: 1 PID: 895 Comm: rdwr_test_secre Tainted: G           OE     5.0.0+ #13
[  405.054026] Hardware name: linux,dummy-virt (DT)
[  405.054740] Call trace:
[  405.055790]  dump_backtrace+0x0/0x528
[  405.056319]  show_stack+0x24/0x30
[  405.056726]  __dump_stack+0x20/0x2c
[  405.057021]  dump_stack+0x25c/0x388
[  405.057292]  __schedule_bug+0x1d4/0x214
[  405.057604]  __schedule+0x1d8/0x2214
[  405.057820]  schedule+0x4e8/0x790
[  405.058143]  schedule_timeout+0x1bd0/0x1c44
[  405.060645]  write_miscdrv_rdwr+0x1228/0x1bc8 [miscdrv_rdwr_spinlock]
[  405.061225]  __vfs_write+0x54/0x90
[  405.061935]  vfs_write+0x16c/0x2f4
[  405.062423]  ksys_write+0xb4/0x164
[  405.065050]  __se_sys_write+0x48/0x58
[  405.065653]  __arm64_sys_write+0x40/0x48
[  405.066150]  __invoke_syscall+0x24/0x2c
[  405.066533]  invoke_syscall+0xa4/0xd8
[  405.067189]  el0_svc_common+0x100/0x1e4
[  405.068025]  el0_svc_handler+0x418/0x444
[  405.068582]  el0_svc+0x8/0xc

六、锁与中断

硬中断优先级最高，能抢占任何资源
问题在于中断处理程序与read方法在做什么，以及实现方式，有以下三种情景：

1. 中断处理程序仅仅使用局部变量，即使read方法在临界区，没有竞争关系。
2. 中断处理程序正在处理（全局）共享的可写数据，但不处理read方法正在使用的数据项。
3. 中断处理程序正在处理read方法正在使用的相同全局共享可写数据，存在数据竞争，需要锁。

第3种方法需要使用spinlock锁，从下图可以看到数据的竞争关系。

可能死锁

• 无论单处理器还是多处理器，解决这个中断数据竞争的方法，使用_irq 的spinlock的API 

void spin_lock_irq(spinlock_t *lock); 

其内部禁止中断（本处理器上），使得通过中断产生数据竞争是不可能的。

• 考虑中断状态位，在禁止中断再开启后，中断状态位不能改变。如果不进行对中断位进行恢复，中断标志全部变成1了。

unsigned long spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags); 

• 在tasklet或softirq 下半部中断机制使用，

spin_lock_bh(spinlock_t *lock)

它可以禁用本地处理器上的中断，使用自旋锁，从而保护关键部分。

总结：

5.8内核中引入 local lock

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