Linux内核中的互斥锁、读写锁、自旋锁、信号量该如何选择？

一、前言

linux 内核中有许多不同类型的锁，它们都可以用来保护关键资源，以避免多个线程或进程之间发生竞争条件，从而保护系统的稳定性和可靠性。这些锁的类型包括：互斥锁（mutex）、读写锁（rwlock）、自旋锁（spinlock）和信号量（semaphore）。今天，我将向大家介绍 linux 内核中的各种锁，以及我们在实际项目中如何选择使用哪种锁。

二、几种锁的介绍

互斥锁（mutex） 是一种常用的锁，它可以保护共享资源，使得在某个时刻只有一个线程或进程能够访问它。读写锁（rwlock）则可以同时允许多个线程或进程读取共享资源，但只允许一个线程或进程写入它。自旋锁（spinlock）可以用来保护共享资源，使得在某个时刻只有一个线程或进程能够访问它，但它会使线程或进程“自旋”，直到获得锁为止。最后，信号量（semaphore）可以用来控制对共享资源的访问，以保证其他线程或进程能够安全地访问它们。

读写锁（rwlock） 是一种用于控制多线程访问共享资源的同步机制。当一个线程需要读取共享资源时，它可以获取读取锁，这样其他线程就能够同时读取该资源，而不会发生冲突。当一个线程需要写入共享资源时，它可以获取写入锁，这样其他线程就不能访问该资源，从而保证数据的完整性和一致性。

自旋锁（spinlock） 是一种简单而有效的用于解决多线程同步问题的锁。它是一种排他锁，可以在多线程环境下保护共享资源，以防止多个线程同时访问该资源。自旋锁的基本原理是，在一个线程试图获取锁时，它会不断尝试获取锁，直到成功为止。在这期间，线程不会进入休眠状态，而是一直处于忙等待（busy-waiting）状态，这也就是自旋锁名称的由来。

信号量（semaphore） 是一种常用的同步机制，它可以用来控制多个线程对共享资源的访问。它有助于确保同一时间只有一个线程能够访问共享资源，从而避免资源冲突和竞争。信号量是一种整数计数器，用于跟踪可用资源的数量。当一个线程需要访问共享资源时，它首先必须获取信号量，这会将信号量的计数器减少 1 ，而当它完成对共享资源的访问后，它必须释放信号量，以便其他线程也能够访问共享资源。

四、互斥锁（Mutex）

互斥锁是最基本的锁类型，在内核中使用较为广泛。它是一种二元锁，只能同时有一个线程持有该锁。当一个线程请求该锁时，如果锁已被占用，则线程会被阻塞直到锁被释放。互斥锁的实现使用了原子操作，因此它的性能比较高，但也容易出现死锁情况。

在内核中，互斥锁的定义如下：

struct mutex {    raw_spinlock_t      wait_lock;    struct list_head    wait_list;    struct task_struct  *owner;    int                 recursion;#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC    struct lockdep_map  dep_map;#endif};

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互斥锁的使用非常简单，通常只需要调用两个函数即可完成：

void mutex_init(struct mutex *lock)：函数用于初始化互斥锁void mutex_lock(struct mutex *lock)：函数用于获取互斥锁void mutex_unlock(struct mutex *lock)：函数用于释放互斥锁

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五、读写锁（Reader-Writer Lock）

读写锁是一种特殊的锁类型，它允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。读写锁的实现使用了两个计数器，分别记录当前持有锁的读线程数和写线程数。

在内核中，读写锁的定义如下：

struct rw_semaphore {    long            count;    struct list_head    wait_list;#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC    struct lockdep_map  dep_map;#endif};

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读写锁的使用也比较简单，通常只需要调用三个函数即可完成：

init_rwsem(struct rw_semaphore *sem)：函数用于初始化读写锁down_read(struct rw_semaphore *sem)：函数用于获取读锁up_read(struct rw_semaphore *sem)：函数用于释放读锁down_write(struct rw_semaphore *sem)：函数用于获取写锁up_write(struct rw_semaphore *sem)：函数用于释放写锁

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六、自旋锁（spinlock）

自旋锁是一种保护共享资源的锁，它会在等待期间一直占用CPU。自旋锁适用于代码临界区比较小的情况，且共享资源的独占时间比较短，这样就可以避免上下文切换的开销。自旋锁不能用于需要睡眠的代码临界区，因为在睡眠期间自旋锁会一直占用CPU。

在Linux内核中，自旋锁使用spinlock_t类型表示，可以通过spin_lock()和spin_unlock()函数对其进行操作。

spin_lock_init(spinlock_t *lock)：用于初始化自旋锁，将自旋锁的初始状态设置为未加锁状态。spin_lock(spinlock_t *lock)：用于获得自旋锁，如果自旋锁已经被占用，则当前进程会自旋等待，直到自旋锁可用。spin_trylock(spinlock_t *lock)：用于尝试获取自旋锁，如果自旋锁当前被占用，则返回0，否则返回1。spin_unlock(spinlock_t *lock)：用于释放自旋锁。

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在使用自旋锁时，需要注意以下几点：

自旋锁只适用于临界区代码比较短的情况，因为自旋等待的过程会占用CPU资源。自旋锁不可重入，也就是说，如果一个进程已经持有了自旋锁，那么它不能再次获取该自旋锁。在持有自旋锁的情况下，应该尽量避免调用可能会导致调度的内核函数，比如睡眠函数，因为这可能会导致死锁的发生。在使用自旋锁的时候，应该尽量避免嵌套使用不同类型的锁，比如自旋锁和读写锁，因为这可能会导致死锁的发生。当临界区代码较长或者需要睡眠时，应该使用信号量或者读写锁来代替自旋锁。

七、信号量（semaphore）

信号量是一种更高级的锁机制，它可以控制对共享资源的访问次数。信号量可分为二元信号量和计数信号量。二元信号量只有0和1两种状态，常用于互斥锁的实现；计数信号量则可以允许多个进程同时访问同一共享资源，只要它们申请信号量的数量不超过该资源所允许的最大数量。

在Linux内核中，信号量使用struct semaphore结构表示，可以通过down()和up()函数对其进行操作。

void sema_init(struct semaphore *sem, int val)：初始化一个信号量，val参数表示初始值。void down(struct semaphore *sem)：尝试获取信号量，如果信号量值为 0，调用进程将被阻塞。int down_interruptible(struct semaphore *sem)：尝试获取信号量，如果信号量值为 0，调用进程将被阻塞，并可以被中断。int down_trylock(struct semaphore *sem)：尝试获取信号量，如果信号量值为 0，则立即返回，否则返回错误。void up(struct semaphore *sem)：释放信号量，将信号量的值加 1，并唤醒可能正在等待信号量的进程。

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