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1. 临界区(Critical Section)
- (1) 在可以抢占(preemption)的系统中,两个线程同时访问同一个对象;
- (2) 线程和中断同时访问同一个对象;
- (3) 在多核系统中(SMP),可能两个CPU可能同时访问同一个对象;
2. 自旋锁(spin_lock)
- preempt_disable();
- .....
- // 访问共享对象的代码
- ......
- preempt_enable();
同样地,针对单处理器系统,第二种情况,只要临时关闭中断即可,我们可以使用以下方法:
- local_irq_disable();
- ......
- // 访问共享对象的代码
- ......
- local_irq_enable();
那么,针对多处理器的系统,以上的方法还成立么?答案很显然:不成立。
对于第一种情况,虽然抢占被禁止了,可是另一个CPU上还有线程在运行,如果这个线程也正好要访问该共享对象,上面的代码段显然是无能为力了。
对于第二种情况,虽然本地CPU的中断被禁止了,可是另一个CPU依然可以产生中断,如果他的中断服务程序也正好要访问该共享对象,上面的代码段也一样无法对共享对象进行保护。
- spin_lock(spinlock_t *lock);
- spin_unlock(spinlock_t *lock);
对于单处理器系统,在不打开调试选项时,spinlock_t实际上是一个空结构,把上面两个函数展开后,实际上就只是调用preempt_disable()和preempt_enable(),对于单处理器系统,关掉抢占后,其它线程不能被调度运行,所以并不需要做额外的工作,除非中断的到来,不过内核提供了另外的变种函数来处理中断的问题。
- spin_lock_irq(spinlock_t *lock);
- spin_unlock_irq(spinlock_t *lock);
和:
- spin_lock_irqsave(lock, flags);
- spin_lock_irqrestore(lock, flags);
我们可以按以下原则使用上面的三对变种函数(宏):
- 如果只是在普通线程之间同时访问共享对象,使用spin_lock()/spin_unlock();
- 如果是在中断和普通线程之间同时访问共享对象,并且确信退出临界区后要打开中断,使用spin_lock_irq()/spin_unlock_irq();
- 如果是在中断和普通线程之间同时访问共享对象,并且退出临界区后要保持中断的状态,使用spin_lock_irqsave()/spin_unlock_irqrestore();
其实变种还不止这几个,还有read_lock_xxx/write_lock_xxx、spin_lock_bh/spin_unlock_bh、spin_trylock_xxx等等。但常用的就上面几种。
3. raw_spin_lock
Linux Kernel的模型,旨在提升Linux的实时性,之后Ingo Molnar很快在他的一个项目中实现了这个模型,并最终产生了一个Real-Time preemption的patch。
- 把原来的raw_spin_lock改为arch_spin_lock;
- 把原来的spin_lock改为raw_spin_lock;
- 实现一个新的spin_lock;
写到这里不知大家明白了没?对于2.6.33和之后的版本,我的理解是:
- 尽可能使用spin_lock;
- 绝对不允许被抢占和休眠的地方,使用raw_spin_lock,否则使用spin_lock;
- 如果你的临界区足够小,使用raw_spin_lock;
对于没有打上Linux-RT(实时Linux)的patch的系统,spin_lock只是简单地调用raw_spin_lock,实际上他们是完全一样的,如果打上这个patch之后,spin_lock会使用信号量完成临界区的保护工作,带来的好处是同一个CPU可以有多个临界区同时工作,而原有的体系因为禁止抢占的原因,一旦进入临界区,其他临界区就无法运行,新的体系在允许使用同一个临界区的其他进程进行休眠等待,而不是强占着CPU进行自旋操作。写这篇文章的时候,内核的版本已经是3.3了,主线版本还没有合并Linux-RT的内容,说不定哪天就会合并进来,也为了你的代码可以兼容Linux-RT,最好坚持上面三个原则。