Linux內(nèi)核鎖的那點(diǎn)事

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在（Linux）設(shè)備驅(qū)動中，我們必須要解決的一個問題是：多個進(jìn)程對共享資源的并發(fā)訪問，并發(fā)的訪問會導(dǎo)致競態(tài)。

1、并發(fā)和競態(tài)

并發(fā)（Concurrency）：指的是多個執(zhí)行單元同時、并行的被執(zhí)行。

競態(tài)（RaceCondi（ti）ons）：并發(fā)執(zhí)行的單元對共享資源的訪問，容易導(dǎo)致競態(tài)。

共享資源：（硬件）資源和軟件上的全局變量、靜態(tài)變量等。

解決競態(tài)的途徑是：保證對共享資源的互斥訪問。

互斥訪問：一個執(zhí)行單元在訪問共享資源的時候，其他執(zhí)行單元被禁止訪問。

臨界區(qū)（CriticalSections）：訪問共享資源的代碼區(qū)域成為臨界區(qū)。臨界區(qū)需要以某種互斥機(jī)制加以保護(hù)。

常見的互斥機(jī)制包括：中斷屏蔽，原子操作，自旋鎖，（信號）量，互斥體等。

2、競態(tài)發(fā)生的場合

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多對稱（處理器）（SMP）的多個（CPU）之間多個CPU使用共同的系統(tǒng)總線，可以訪問共同的外設(shè)和存儲器。在SMP的情況下，多核（CPU0、CPU1）的競態(tài)可能發(fā)生于：

CPU0的進(jìn)程和CPU1的進(jìn)程之間CPU0的進(jìn)程和CPU1的中斷之間CPU0的中斷和CPU1的中斷之間單CPU內(nèi)，該進(jìn)程與搶占它的進(jìn)程之間在單CPU內(nèi)，多個進(jìn)程并發(fā)執(zhí)行，當(dāng)一個進(jìn)程執(zhí)行的時間片耗盡，也有可能被另一個高優(yōu)先級進(jìn)程打斷，會發(fā)生競態(tài)。

中斷（軟中斷、硬中斷、Tasklet、底半部）與進(jìn)程之間當(dāng)一個進(jìn)程正在執(zhí)行，一個外部/內(nèi)部中斷（軟中斷、硬中斷、Tasklet等）將其打斷，會導(dǎo)致競態(tài)發(fā)生。

3、編譯亂序和執(zhí)行亂序

除了并發(fā)訪問導(dǎo)致的競態(tài)外，還需要了解編譯器和處理器的一些特點(diǎn)所引發(fā)的一些問題。

3.1編譯亂序

現(xiàn)代的高性能編譯器在目標(biāo)代碼優(yōu)化上都具有亂序優(yōu)化的能力，編譯器為了盡量提高Cache命中率以及CPU的Lo（ad）/St（or）e單元的工作效率，可以對訪存的指令進(jìn)行亂序，減少邏輯上不必要的訪存。

因此，在打開編譯器優(yōu)化后，生成的（匯編）碼并沒有嚴(yán)格按照代碼的邏輯順序執(zhí)行，這是正常的。

為了解決編譯亂序的問題，可以加入barrier()編譯屏障，

該屏障可以阻擋編譯器的優(yōu)化。設(shè)置屏障的前后，可以保證執(zhí)行的語句不亂。

加入barrier()編譯屏障，即可保證正確的執(zhí)行順序。

例子：

#definebarrier()__asm____volatile__("":::"memory")intmain(intargc,char*argv[]){inta=0,b,c,d[4096],e;e=d[4095];barrier();b=a;c=a;return0;}3.2執(zhí)行亂序

編譯亂序是編譯器的行為，而執(zhí)行亂序就是處理器運(yùn)行時的行為。

高級的CPU往往會根據(jù)自身的緩存特性，將訪存指令重新排序執(zhí)行！這樣就導(dǎo)致了多個順序的指令，后發(fā)的指令仍有可能先執(zhí)行完畢。

這種執(zhí)行亂序，在多個CPU之間，以及單個CPU內(nèi)部，都是非常常見的。

3.2.1多CPU之間處理器為了解決多核之間，一個CPU的行為對另一個CPU可見的情況，（ARM）處理器引入了內(nèi)存屏障指令：

DMB（數(shù)據(jù)內(nèi)存屏障），保證在該指令前的所有指令，內(nèi)存訪問完成，再去訪問該指令之后的訪存動作DSB（數(shù)據(jù)同步屏障），保證在該指令前的所有訪存指令執(zhí)行完畢（訪存，緩存，跳轉(zhuǎn)預(yù)測，TLB維護(hù)等）完成ISB（指令同步屏障），F(xiàn)lush流水線，保證所有在ISB之后執(zhí)行的指令都是從緩存或者內(nèi)存中獲得。3.2.2單CPU內(nèi)部在單CPU中，我們常遇到訪問外設(shè)（寄存器）時，某些外設(shè)寄存器就對讀寫順序有很高的要求，為了避免執(zhí)行亂序的發(fā)生，這時候就需要CPU的一些內(nèi)存屏障指令了。

CPU內(nèi)部，為了解決這種問題，CPU提供了一些內(nèi)存屏障指令：

可以參考Documentation/memory-devices.txt和Documentation/io_ordering.txt

讀寫屏障：mb()讀屏障：rmb()寫屏障：wmb()寄存器讀屏障__iormb()__寄存器寫屏障__iowmb()__#definewri（te）b_relaxed(v,c)__raw_writeb(v,c)#definewritew_relaxed(v,c)__raw_writew((__forceu16)cpu_to_le16(v),c)#definewritel_relaxed(v,c)__raw_writel((__forceu32)cpu_to_le32(v),c)#definereadb(c)({u8__v=readb_relaxed(c);__iormb();__v;})#definereadw(c)({u16__v=readw_relaxed(c);__iormb();__v;})#definereadl(c)({u32__v=readl_relaxed(c);__iormb();__v;})#definewriteb(v,c)({__iowmb();writeb_relaxed(v,c);})#definewritew(v,c)({__iowmb();writew_relaxed(v,c);})#definewritel(v,c)({__iowmb();writel_relaxed(v,c);})writel與writel_relaxed的區(qū)別就在于有無屏障。

4、總結(jié)

由上文可知，為了