《Linux 内核深度解析：基于 ARM64 架构的 Linux 4.x 内核》 第五章：内核互斥技术

在支持多核、抢占、异步中断的 Linux 内核中，如何正确、安全地访问共享资源，是稳定性与性能的核心问题。

---

5.1 信号量（Semaphore）

• Linux 信号量是计数型锁，支持多个任务通过 down() / up() 机制协调资源访问。

• 可睡眠等待，适合访问较慢设备或长时间资源持有的场景。

• 核心结构体：

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

---

5.2 读写信号量（RW Semaphore）

• 支持多个读者同时访问资源，写者需独占。

• 适合读多写少的共享数据，如 inode 属性。

• API 示例：

  down_read();    // 读锁
  up_read();
  down_write();   // 写锁
  up_write();
  

---

5.3 互斥锁（Mutex）

• 是轻量级睡眠锁，适用于线程间互斥。
• 和信号量不同，mutex 只能由加锁者解锁。
• ARM64 上 mutex_lock() 可进入睡眠，使用等待队列实现。

---

5.4 实时互斥锁（RT Mutex）

• 专为 RT_PREEMPT 实时内核设计。
• 可防止优先级反转（使用优先级继承 PI）。
• 用于 futex、实时线程调度器中。

---

5.5 原子变量（atomic_t）

• 对整数变量提供无锁原子操作，适合状态位、引用计数等。

• ARM64 使用 LDXR/STXR 实现原子性。

• 示例：

  atomic_inc(&val);
  if (atomic_dec_and_test(&val)) { ... }
  

---

5.6 自旋锁（Spinlock）

• 在无法睡眠的上下文（如中断）中使用的基本锁机制。
• spin_lock() 会忙等待，直到锁可用。
• 适合临界区很短的情况；支持 irqsave。

---

5.7 读写自旋锁（rwlock）

• 多个读者可并发，写者独占。
• 比普通自旋锁更高效，但结构复杂。
• ARM64 实现通过 atomic64_t 控制锁状态。

---

5.8 顺序锁（seqlock）

5.8.1 完整版顺序锁

• 写操作加锁，同时递增序列号；
• 读操作可无锁，读取前后对比序号是否一致。

5.8.2 简化版顺序锁（seqcount）

• 仅记录序列号，无实际锁；
• 适合嵌入其他锁中，如 timekeeper 结构。

---

5.9 禁止内核抢占（preempt_disable）

• preempt_disable() 阻止当前任务被抢占；
• 不会屏蔽中断，仅用于保护短期临界区；
• 与 spinlock 配合使用，常用于内核调度相关代码。

---

5.10 进程与软中断互斥

• 软中断不会抢占进程上下文；
• 通过 local_bh_disable() 屏蔽本地软中断；
• 通常在 netif_rx() 等网络函数中使用。

---

5.11 进程与硬中断互斥

• 使用 spin_lock_irqsave() 同时关闭本地中断并加锁；
• 硬中断可能在任意时刻打断执行，必须保证一致性。

---

5.12 每处理器变量（per-CPU Variable）

5.12.1 静态 per-CPU

• 使用 DEFINE_PER_CPU() 声明；
• 编译时确定，效率高。

5.12.2 动态 per-CPU

• 使用 alloc_percpu() 分配；
• 适用于运行时可变数量对象。

5.12.3 访问 per-CPU

• 通过 this_cpu_ptr() 获取当前 CPU 的对应变量；
• 访问效率高，无需加锁。

---

5.13 每处理器计数器（per-CPU counter）

• 用于高频递增/递减操作（如页缓存引用）；
• 结合全局总和与本地计数实现。

percpu_counter_add(&pc, 1);
percpu_counter_sum(&pc);

---

5.14 内存屏障（Memory Barrier）

5.14.1 编译器屏障（barrier()）

• 防止 GCC 等优化器重排指令。

5.14.2 处理器内存屏障

• 使用 smp_mb(), smp_rmb(), smp_wmb()；
• 确保多核 CPU 中执行顺序一致。

5.14.3 MMIO 写屏障

• 对设备寄存器写操作顺序控制；
• ARM64 提供 wmb() 等。

5.14.4 隐含内存屏障

• 如 spin_unlock()、mutex_unlock() 隐含内存屏障；
• 一般不需要额外加 mb()。

5.14.5 ARM64 处理器屏障

• ARM64 支持：

  • dsb sy：系统范围屏障
  • dmb ish：内部共享屏障
  • isb：指令同步屏障

---

5.15 RCU（Read-Copy-Update）

5.15.1 使用方法

• rcu_read_lock(), rcu_read_unlock() 保护读路径；
• 更新路径复制数据结构并用 call_rcu() 延迟释放。

5.15.2 技术原理

• 利用“宽限期”（Grace Period）确保所有旧读者退出后才清理；
• 使用 quiescent state + callback 队列实现；
• 性能极高，适用于高并发读。

---

5.16 可睡眠 RCU（SRCU）

5.16.1 使用方法

• 与 RCU 相似，但读路径可睡眠；
• 适合 block 层、文件系统等可能阻塞的上下文。

5.16.2 技术原理

• 维护每 CPU 两个引用计数器；
• 延迟 callback 直到所有读者退出两个 epoch。

---

5.17 死锁检测工具 lockdep

5.17.1 使用方法

• 开启 CONFIG_LOCKDEP；
• 自动检测死锁链、锁顺序问题；
• 适用于调试与内核开发。

5.17.2 技术原理

• 为每个锁维护依赖图；
• 记录加锁路径，通过图搜索检测环路。

---

总结

Linux 内核互斥机制种类繁多，从基础的信号量、自旋锁，到复杂的 RCU、顺序锁，再到每处理器变量与内存屏障，构建起了内核安全运行的完整“并发保障体系”。

分类	示例机制	特性说明
可睡眠锁	mutex, semaphore	用于线程上下文，可阻塞
忙等锁	spinlock, rwlock	不可睡眠，适用于中断、原子操作
无锁机制	atomic_t, per-CPU	高性能，适用于简化数据共享
高级同步	RCU, seqlock	读高并发、写复杂
工具支持	lockdep	自动死锁检测