Linux内核锁的那点事

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在（Linux）设备驱动中，我们必须要解决的一个问题是：多个进程对共享资源的并发访问，并发的访问会导致竞态。

1、并发和竞态

并发（Concurrency）：指的是多个执行单元同时、并行的被执行。

竞态（RaceCondi（ti）ons）：并发执行的单元对共享资源的访问，容易导致竞态。

共享资源：（硬件）资源和软件上的全局变量、静态变量等。

解决竞态的途径是：保证对共享资源的互斥访问。

互斥访问：一个执行单元在访问共享资源的时候，其他执行单元被禁止访问。

临界区（CriticalSections）：访问共享资源的代码区域成为临界区。临界区需要以某种互斥机制加以保护。

常见的互斥机制包括：中断屏蔽，原子操作，自旋锁，（信号）量，互斥体等。

2、竞态发生的场合

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多对称（处理器）（SMP）的多个（CPU）之间多个CPU使用共同的系统总线，可以访问共同的外设和存储器。在SMP的情况下，多核（CPU0、CPU1）的竞态可能发生于：

CPU0的进程和CPU1的进程之间CPU0的进程和CPU1的中断之间CPU0的中断和CPU1的中断之间单CPU内，该进程与抢占它的进程之间在单CPU内，多个进程并发执行，当一个进程执行的时间片耗尽，也有可能被另一个高优先级进程打断，会发生竞态。

中断（软中断、硬中断、Tasklet、底半部）与进程之间当一个进程正在执行，一个外部/内部中断（软中断、硬中断、Tasklet等）将其打断，会导致竞态发生。

3、编译乱序和执行乱序

除了并发访问导致的竞态外，还需要了解编译器和处理器的一些特点所引发的一些问题。

3.1编译乱序

现代的高性能编译器在目标代码优化上都具有乱序优化的能力，编译器为了尽量提高Cache命中率以及CPU的Lo（ad）/St（or）e单元的工作效率，可以对访存的指令进行乱序，减少逻辑上不必要的访存。

因此，在打开编译器优化后，生成的（汇编）码并没有严格按照代码的逻辑顺序执行，这是正常的。

为了解决编译乱序的问题，可以加入barrier()编译屏障，

该屏障可以阻挡编译器的优化。设置屏障的前后，可以保证执行的语句不乱。

加入barrier()编译屏障，即可保证正确的执行顺序。

例子：

#definebarrier()__asm____volatile__("":::"memory")intmain(intargc,char*argv[]){inta=0,b,c,d[4096],e;e=d[4095];barrier();b=a;c=a;return0;}3.2执行乱序

编译乱序是编译器的行为，而执行乱序就是处理器运行时的行为。

高级的CPU往往会根据自身的缓存特性，将访存指令重新排序执行！这样就导致了多个顺序的指令，后发的指令仍有可能先执行完毕。

这种执行乱序，在多个CPU之间，以及单个CPU内部，都是非常常见的。

3.2.1多CPU之间处理器为了解决多核之间，一个CPU的行为对另一个CPU可见的情况，（ARM）处理器引入了内存屏障指令：

DMB（数据内存屏障），保证在该指令前的所有指令，内存访问完成，再去访问该指令之后的访存动作DSB（数据同步屏障），保证在该指令前的所有访存指令执行完毕（访存，缓存，跳转预测，TLB维护等）完成ISB（指令同步屏障），Flush流水线，保证所有在ISB之后执行的指令都是从缓存或者内存中获得。3.2.2单CPU内部在单CPU中，我们常遇到访问外设（寄存器）时，某些外设寄存器就对读写顺序有很高的要求，为了避免执行乱序的发生，这时候就需要CPU的一些内存屏障指令了。

CPU内部，为了解决这种问题，CPU提供了一些内存屏障指令：

可以参考Documentation/memory-devices.txt和Documentation/io_ordering.txt

读写屏障：mb()读屏障：rmb()写屏障：wmb()寄存器读屏障__iormb()__寄存器写屏障__iowmb()__#definewri（te）b_relaxed(v,c)__raw_writeb(v,c)#definewritew_relaxed(v,c)__raw_writew((__forceu16)cpu_to_le16(v),c)#definewritel_relaxed(v,c)__raw_writel((__forceu32)cpu_to_le32(v),c)#definereadb(c)({u8__v=readb_relaxed(c);__iormb();__v;})#definereadw(c)({u16__v=readw_relaxed(c);__iormb();__v;})#definereadl(c)({u32__v=readl_relaxed(c);__iormb();__v;})#definewriteb(v,c)({__iowmb();writeb_relaxed(v,c);})#definewritew(v,c)({__iowmb();writew_relaxed(v,c);})#definewritel(v,c)({__iowmb();writel_relaxed(v,c);})writel与writel_relaxed的区别就在于有无屏障。

4、总结

由上文可知，为了