因为现代操作系统是多处理器计算的架构，必然更容易遇到多个进程，多个线程访问共享数据的情况，如下图所示：

图中每一种颜色代表一种竞态情况，主要归结为三类：

1. 进程与进程之间：单核上的抢占，多核上的SMP；

2. 进程与中断之间：中断又包含了上半部与下半部，中断总是能打断进程的执行流；

3. 中断与中断之间：外设的中断可以路由到不同的CPU上，它们之间也可能带来竞态；

这时候就需要一种同步机制来保护并发访问的内存数据。本系列文章分为两部分，这一章主要讨论原子操作，自旋锁，信号量和互斥锁

原子操作

原子操作是在执行结束前不可打断的操作，也是最小的执行单位。以 arm 平台为例，原子操作的 API 包括如下:

原子操作通常是内联函数，往往是通过内嵌汇编指令来实现的，如果某个函数本身就是原子的，它往往被定义成一个宏，以下为例。

#define ATOMIC_OP(op, c_op, asm_op)     \
static inline void atomic_##op(int i, atomic_t *v)   \
{         \unsigned long tmp;      \int result;       \\prefetchw(&v->counter);      \__asm__ __volatile__("@ atomic_" #op "\n"   \
"1: ldrex %0, [%3]\n"      \
" " #asm_op " %0, %0, %4\n"     \
" strex %1, %0, [%3]\n"      \
" teq %1, #0\n"      \
" bne 1b"       \: "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter)  \: "r" (&v->counter), "Ir" (i)     \: "cc");       \
}

可见原子操作的原子性依赖于 ldrex 与 strex 实现，ldrex 读取数据时会进行独占标记，防止其他内核路径访问，直至调用 strex 完成写入后清除标记。

ldrex 和 strex 指令，是将单纯的更新内存的原子操作分成了两个独立的步骤:

1. ldrex 用来读取内存中的值，并标记对该段内存的独占访问：

ldrex Rx, [Ry]

读取寄存器 Ry 指向的4字节内存值，将其保存到 Rx 寄存器中，同时标记对 Ry 指向内存区域的独占访问。如果执行 ldrex 指令的时候发现已经被标记为独占访问了，并不会对指令的执行产生影响。

1. strex 在更新内存数值时，会检查该段内存是否已经被标记为独占访问，并以此来决定是否更新内存中的值：

strex Rx, Ry, [Rz]

如果执行这条指令的时候发现已经被标记为独占访问了，则将寄存器 Ry 中的值更新到寄存器 Rz 指向的内存，并将寄存器 Rx 设置成 0。指令执行成功后，会将独占访问标记位清除。如果执行这条指令的时候发现没有设置独占标记，则不会更新内存，且将寄存器 Rx 的值设置成 1。

ARM 内部的实现如下所示，这里不再赘述。

自旋锁 spin_lock

Linux内核中最常见的锁是自旋锁，自旋锁最多只能被一个可执行线程持有。如果一个线程试图获取一个已被持有的自旋锁，这个线程会进行忙循环——旋转等待(会浪费处理器时间)锁重新可用。自旋锁持有期间不可被抢占。

另一种处理锁争用的方式：让等待线程睡眠，直到锁重新可用时再唤醒它，这样处理器不必循环等待，可以去执行其他代码，但是这会有两次明显的上下文切换的开销，信号量便提供了这种锁机制。

自旋锁的使用接口如下：

以 spin_lock 为例看下它的用法：

DEFINE_SPINLOCK(mr_lock);
spin_lock(&mr_lock);
/* 临界区 */
spin_unlock(&mr_lock);

static inline void arch_spin_lock(arch_spinlock_t *lock)
{unsigned int tmp;arch_spinlock_t lockval, newval;asm volatile(/* Atomically increment the next ticket. */ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(/* LL/SC */
" prfm pstl1strm, %3\n"
"1: ldaxr %w0, %3\n"
" add %w1, %w0, %w5\n"
" stxr %w2, %w1, %3\n"
" cbnz %w2, 1b\n",/* LSE atomics */
" mov %w2, %w5\n"
" ldadda %w2, %w0, %3\n"__nops(3))/* Did we get the lock? */
" eor %w1, %w0, %w0, ror #16\n"
" cbz %w1, 3f\n"/** No: spin on the owner. Send a local event to avoid missing an* unlock before the exclusive load.*/
" sevl\n"
"2: wfe\n"
" ldaxrh %w2, %4\n"
" eor %w1, %w2, %w0, lsr #16\n"
" cbnz %w1, 2b\n"/* We got the lock. Critical section starts here. */
"3:": "=&r" (lockval), "=&r" (newval), "=&r" (tmp), "+Q" (*lock): "Q" (lock->owner), "I" (1 << TICKET_SHIFT): "memory");
}

static inline void arch_spin_unlock(arch_spinlock_t *lock)
{unsigned long tmp;asm volatile(ARM64_LSE_ATOMIC_INSN(/* LL/SC */" ldrh %w1, %0\n"" add %w1, %w1, #1\n"" stlrh %w1, %0",/* LSE atomics */" mov %w1, #1\n"" staddlh %w1, %0\n"__nops(1)): "=Q" (lock->owner), "=&r" (tmp):: "memory");
}

上边的代码中，核心逻辑在于 asm volatile() 内联汇编中，有很多独占的操作指令，只有基于指令的独占操作，才能保证软件上的互斥。把核心逻辑翻译成 C 语言：

可以看出，Linux 中针对每一个 spin_lock 有两个计数。分别是 next 和 owner（初始值为0）。进程 A 申请锁时，会判断 next 和 owner 的值是否相等。如果相等就代表锁可以申请成功，否则原地自旋。直到 owner 和 next 的值相等才会退出自旋。

信号量 Semaphore

信号量是在多线程环境下使用的一种措施，它负责协调各个进程，以保证他们能够正确、合理的使用公共资源。它和 spin_lock 最大的不同之处就是：无法获取信号量的进程可以睡眠，因此会导致系统调度。

信号量的定义如下：

struct semaphore {raw_spinlock_t  lock;      //利用自旋锁同步unsigned int  count;      //用于资源计数struct list_head wait_list; //等待队列
};

信号量在创建时设置一个初始值 count，用于表示当前可用的资源数。一个任务要想访问共享资源，首先必须得到信号量，获取信号量的操作为 count - 1。若当前 count 为负数，表明无法获得信号量，该任务必须挂起在该信号量的等待队列等待；若当前 count 为非负数，表示可获得信号量，因而可立刻访问被该信号量保护的共享资源。

当任务访问完被信号量保护的共享资源后，必须释放信号量，释放信号量是操作 count + 1，如果加一后的 count 为非正数，表明有任务等待，则唤醒所有等待该信号量的任务。

了解了信号量的结构与定义，接下来我们看下常用的信号量接口：

这里我们看下最核心的两个实现 down 和 up。

• down

down 用于调用者获得信号量，若 count 大于0，说明资源可用，将其减一即可。

void down(struct semaphore *sem)
{unsigned long flags;raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);if (likely(sem->count > 0))sem->count--;else__down(sem);raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}
EXPORT_SYMBOL(down);

若 count < 0，调用函数 __down()，将 task 加入等待队列，并进入等待队列，并进入调度循环等待，直至其被 __up 唤醒，或者因超时以被移除等待队列。

static inline int __sched __down_common(struct semaphore *sem, long state,long timeout)
{struct semaphore_waiter waiter;list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);waiter.task = current;waiter.up = false;for (;;) {if (signal_pending_state(state, current))goto interrupted;if (unlikely(timeout <= 0))goto timed_out;__set_current_state(state);raw_spin_unlock_irq(&sem->lock);timeout = schedule_timeout(timeout);raw_spin_lock_irq(&sem->lock);if (waiter.up)return 0;}timed_out:list_del(&waiter.list);return -ETIME;interrupted:list_del(&waiter.list);return -EINTR;
}

• up

up 用于调用者释放信号量，若 waitlist 为空，说明无等待任务，count + 1，该信号量可用。

void up(struct semaphore *sem)
{unsigned long flags;raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);if (likely(list_empty(&sem->wait_list)))sem->count++;else__up(sem);raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}
EXPORT_SYMBOL(up);

若 waitlist 非空，将 task 从等待队列移除，并唤醒该 task，对应 __down 条件。

static noinline void __sched __up(struct semaphore *sem)
{struct semaphore_waiter *waiter = list_first_entry(&sem->wait_list,struct semaphore_waiter, list);list_del(&waiter->list);waiter->up = true;wake_up_process(waiter->task);
}

互斥锁 mutex

Linux 内核中，还有一种类似信号量的同步机制叫做互斥锁。互斥锁类似于 count 等于 1 的信号量。所以说信号量是在多个进程/线程访问某个公共资源的时候，进行保护的一种机制。而互斥锁是单个进程/线程访问某个公共资源的一种保护，于互斥操作。

互斥锁有一个特殊的地方：只有持锁者才能解锁。如下图所示：

用一句话来讲信号量和互斥锁的区别，就是信号量用于线程的同步，互斥锁用于线程的互斥。

互斥锁的结构体定义：

struct mutex {atomic_long_t  owner; //互斥锁的持有者spinlock_t  wait_lock; //利用自旋锁同步
#ifdef CONFIG_MUTEX_SPIN_ON_OWNERstruct optimistic_spin_queue osq; /* Spinner MCS lock */
#endifstruct list_head wait_list; //等待队列
......
};

其常用的接口如下所示：

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