Linux内核锁的那点事

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（RaceConditions）：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（Critical Sections）：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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1. 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

2. 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。

3. 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Load/Store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：

#define barrier() __asm__ __volatile__("": : :"memory")

int main(int argc,char *argv[])
{
 int a = 0,b,c,d[4096],e;
 e = d[4095];
    barrier();
 b = a;
 c = a;
 return 0;
}

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()__

#define writeb_relaxed(v,c) __raw_writeb(v,c)
#define writew_relaxed(v,c) __raw_writew((__force u16) cpu_to_le16(v),c)
#define writel_relaxed(v,c) __raw_writel((__force u32) cpu_to_le32(v),c)

#define readb(c)  ({ u8  __v = readb_relaxed(c); __iormb(); __v; })
#define readw(c)  ({ u16 __v = readw_relaxed(c); __iormb(); __v; })
#define readl(c)  ({ u32 __v = readl_relaxed(c); __iormb(); __v; })

#define writeb(v,c)  ({ __iowmb(); writeb_relaxed(v,c); })
#define writew(v,c)  ({ __iowmb(); writew_relaxed(v,c); })
#define writel(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，为了解决

1. 并发导致的竞态问题
2. 高性能的编译器编译乱序问题
3. 高性能的CPU带来的执行乱序问题

CPU和ARM处理器提供的内存屏障指令等，这也是内核锁存在的意义。