linux-互斥锁和自由锁

http://www.cnblogs.com/tgycoder/p/5442040.html

1.在Linux内核中，同步机制是一大特性。比较经典的有原子操作、spin_lock（自旋锁）、mutex（互斥锁）、semaphore（信号量）

2.原子操作

原子操作，也是数据库事务的一大特性。就是该操作绝不会在执行完之前被任何任务或者事件终止，要不全部执行，要不全部不执行。它是最小的执行单位，原子操作需要硬件的支持，因此是架构相关的。

原子操作主要用于实现资源计数，很多引用计数就是通过原子操作实现的。

原子类型定义：

typedef struct{
        volatile int counter;
}atomic_t;

volatile关键字修饰的字段可以通知gcc不要对该类型的数据做优化处理，对它的访问都是对内存的访问，而不是对寄存器的访问。

3.原子操作通常用于实现资源的引用计数，在TCP/IP协议栈的IP碎片处理中，就使用了引用计数，碎片队列结构structipq描述了一个IP碎片，字段refcnt就是引用计数器，它的类型为atomic_t，当创建IP碎片时（在函数ip_frag_create中），使用atomic_set函数把它设置为1，当引用该IP碎片时，就使用函数atomic_inc把引用计数加1，当不需要引用该IP碎片时，就使用函数ipq_put来释放该IP碎片，ipq_put使用函数atomic_dec_and_test把引用计数减1并判断引用计数是否为0，如果是就释放Ip碎片。函数ipq_kill把IP碎片从ipq队列中删除，并把该删除的IP碎片的引用计数减1（通过使用函数atomic_dec实现）。

4.信号量

信号量的本质也是一个计数器，用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。用来协调不同进程间的数据对象，最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。

一般情况，为了获取共享资源，进程需要执行如下步骤：

1）测试控制该资源的信号量；

2）如果该信号量为正，就允许使用该资源，进程将型号量减一；

3）如果为0，则该资源目前不可用，进程sleep，知道信号量值大于0，才能被唤醒，从步骤1）开始执行；

4）当进程不再使用某信号量控制的资源时，信号量值加1,。如果此时有进程在sleep并等待此信号量，则可以唤醒该进程。

信号量的定义在头文件/usr/src/linux/include/linux/sem.h 中，信号量是一个数据集合，用户可以单独使用这一集合中的每个元素。

Linux2.6.26下定义的信号量结构体：

struct semaphore {
        spinlock_t                lock;
        unsigned int             count;
        struct list_head        wait_list;
};

从以上信号量的定义中，可以看到信号量底层使用到了spinlock的锁定机制，这个spinlock主要用来确保对count成员的原子性的操作(count--)和测试(count > 0)。

5. 信号量的pv操作

信号量的P操作

• （1）void down(struct semaphore *sem);
• （2）int down_interruptible(struct semaphore *sem);
• （3）int down_trylock(struct semaphore *sem);

(1)中的函数根据2.6.26中的代码注释，这个函数已经out了(Use of this function is deprecated)，所以从实用角度，彻底忘了它吧。

(2)最常用，函数原型：

(2)最常用，函数原型：

/**
* down_interruptible - acquire the semaphore unless interrupted
* @sem: the semaphore to be acquired
*
* Attempts to acquire the semaphore.  If no more tasks are allowed to
* acquire the semaphore, calling this function will put the task to sleep.
* If the sleep is interrupted by a signal, this function will return -EINTR.
* If the semaphore is successfully acquired, this function returns 0.
*/
int down_interruptible(struct semaphore *sem)
{
        unsigned long flags;
        int result = 0;

        spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
        if (likely(sem->count > 0))
                sem->count--;
        else
                result = __down_interruptible(sem);
        spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);

        return result;
}

函数说明：在保证原子操作的前提下，先测试count是否大于0，如果是说明可以获得信号量，这种情况下需要先将count--，以确保别的进程能否获得该信号量，然后函数返回，其调用者开始进入临界区。如果没有获得信号量，当前进程利用struct semaphore 中wait_list加入等待队列，开始睡眠。

信号量的V操作

void up(struct semaphore *sem);

/**
* up - release the semaphore
* @sem: the semaphore to release
*
* Release the semaphore.  Unlike mutexes, up() may be called from any
* context and even by tasks which have never called down().
*/
void up(struct semaphore *sem)
{
        unsigned long flags;

        spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
        if (likely(list_empty(&sem->wait_list)))
                sem->count++;
        else
                __up(sem);
        spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}

 如果没有其他线程等待在目前即将释放的信号量上，那么只需将count++即可。如果有其他线程正因为等待该信号量而睡眠，那么调用__up

互斥锁

两种形式的制约关系

1）间接相互制约关系（互斥）

若某一进程要求使用某种资源，而该资源正好被另一进程使用，并且该资源不允许两个进程同时使用，那么该进程只好等待已占有的资源的进程释放资源后再使用。这种制约关系可以用“进程-资源-进程”的形式表示。例如，打印机资源，进程互斥经典问题中生产者-生产者问题。

2）直接相互制约关系（同步）

某一进程若收不到另一进程提供的必要信息就不能继续运行下去，表明了两个进程之间在某些点上要交换信息，相互交流运行情况。这种制约关系的进本形式是“进程-进程”。例如生产者与消费者问题，生产者生产产品并放入缓冲池，消费者从缓冲池取走产品进行消费。这两者就是同步关系。

区分互斥和同步只需记住，同类进程即为互斥关系，不同类进程即为同步关系。

临界资源：同时只允许一个进程使用的资源。

临界区：进程中用于访问临界资源的代码段，又称临界段。

每个进程的临界区代码可以不同，临界区代码由于要访问临界资源，因此要在进入临界区之前进行检查，至于每个进程对临界资源进行怎样的操作，这和临界资源及互斥同步管理是无关的。

自旋锁

自旋锁也是实现保护共享资源的一种锁机制，与互斥锁比较类似，都是为了解决对某资源的互斥使用。无论是互斥锁还是自旋锁，在任何时刻最多只有一个保持者。也就是说，任何时刻最多只有一个执行单元获得锁。两者的不同之处是，对于互斥锁而言，如果资源已经被占用，其它的资源申请进程只能进入sleep状态。但是自旋锁不会引起调用者sleep，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在等待该自旋锁的保持者是否释放该锁。

自旋锁一般原理

跟互斥锁一样，一个执行单元要想访问被自旋锁保护的共享资源，必须先得到锁，在访问完共享资源后，必须释放锁。如果在获取自旋锁时，没有任何执行单元保持该锁，那么将立即得到锁；如果在获取自旋锁时锁已经有保持者，那么获取锁操作将自旋在那里，直到该自旋锁的保持者释放了锁。由此我们可以看出，自旋锁是一种比较低级的保护数据结构或代码片段的原始方式，这种锁可能存在两个问题：死锁和过多占用cpu资源。

自旋锁适用情况

自旋锁比较适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况，正是由于自旋锁使用者一般保持较短的锁时间，因此选择自旋而不是睡眠是非常必要的，因为自旋锁的效率远高于互斥锁。信号量和读写信号量适用于保持时间较长的情况，它们会导致调用者sleep，因此只能在进程上下文使用。而自旋锁适合于保持时间非常短的情况，它可以再任何上下文使用。如果被保护的共享资源只在进程上下文访问，使用信号量保护该共享资源非常合适，如果对共享资源的访问时间非常短，自旋锁也可以。但是如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。自旋锁保持期间是抢占失效的，而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的。自旋锁只有在内核可抢占或SMP（多处理器）的情况下才真正需要，在单CPU且不可抢占的内核下，自旋锁的所有操作都是空操作。另外格外注意一点：自旋锁不能递归使用。

信号量、互斥锁和自旋锁的区别

信号量。互斥锁允许进程sleep属于睡眠锁，自旋锁不允许调用者sleep，而是让其循环等待，所以有以下区别应用：

1. 信号量和读写信号量适合于保持时间较长的情况，它们会导致调用者睡眠，因而自旋锁适合于保持时间非常短的情况；
2. 自旋锁可以用于中断，不能用于进程上下文(会引起死锁)，而信号量不允许使用在中断中，而可以用于进程上下文；
3. 自旋锁保持期间是抢占失效的，自旋锁被持有时，内核不能被抢占，而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的。

另外需要注意的是：

1. 信号量锁保护的临界区可包含可能引起阻塞的代码，而自旋锁则绝对要避免用来保护包含这样代码的临界区，因为阻塞意味着要进行进程的切换，如果进程被切换出去后，另一进程企图获取本自旋锁，死锁就会发生；
2. 占用信号量的同时不能占用自旋锁，因为在等待信号量时可能会睡眠，而在持有自旋锁时是不允许睡眠的。

信号量和互斥锁的区别

1、概念上的区别：     

信号量：是进程间（线程间）同步用的，一个进程（线程）完成了某一个动作就通过信号量告诉别的进程（线程），别的进程（线程）再进行某些动作。有二值和多值信号量之分；

互斥锁：是线程间互斥用的，一个线程占用了某一个共享资源，那么别的线程就无法访问，直到这个线程离开，其他的线程才开始可以使用这个共享资源。可以把互斥锁看成二值信号量。  

2、上锁时：

信号量: 只要信号量的value大于0，其他线程就可以sem_wait成功，成功后信号量的value减一。若value值不大于0，则sem_wait阻塞，直到sem_post释放后value值加一。一句话，信号量的value>=0。

互斥锁: 只要被锁住，其他任何线程都不可以访问被保护的资源。如果没有锁，获得资源成功，否则进行阻塞等待资源可用。一句话，线程互斥锁的vlaue可以为负数。  

3、使用场所：

信号量主要适用于进程间通信，当然，也可用于线程间通信。而互斥锁只能用于线程间通信。