Linux内核设计与实现 - 第9章 内核同步介绍

一、内核同步基本概念

1.1 临界区与竞态条件

• 临界区：访问共享资源的代码段
• 竞态条件：多个执行路径同时进入临界区导致的不确定性行为

1.2 同步问题的来源

• 对称多处理(SMP)系统
• 内核抢占
• 中断处理
• 延迟操作(如软中断)

二、Linux内核同步机制

2.1 原子操作

atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);
atomic_inc(&v);

2.2 自旋锁(spinlock)

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

2.3 信号量(semaphore)

struct semaphore sem;
sema_init(&sem, 1);
down(&sem);
/* 临界区 */
up(&sem);

2.4 互斥锁(mutex)

struct mutex my_mutex;
mutex_init(&my_mutex);
mutex_lock(&my_mutex);
/* 临界区 */
mutex_unlock(&my_mutex);

三、同步机制选择原则

机制	适用场景	开销	注意事项
原子操作	简单变量操作	最低	仅适用于整数类型
自旋锁	短期锁定，不可睡眠上下文	中等	可能造成CPU空转
信号量	可能阻塞的长临界区	较高	可能导致进程调度
互斥锁	用户上下文长临界区	较高	比信号量更高效

四、死锁预防

1. 按固定顺序获取多个锁
2. 避免在持有锁时请求新锁
3. 使用lockdep工具检测潜在死锁

五、最新发展

• RCU(Read-Copy-Update)：适用于读多写少场景
• 顺序锁(seqlock)：适用于写操作频繁但快速的场景