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作者簡(jiǎn)介：

程磊，一線碼農(nóng)，在某手機(jī)公司擔(dān)任系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工程師；閱碼場(chǎng)榮譽(yù)總編輯；日常喜歡研究?jī)?nèi)核基本原理。

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目錄：

一、概念解析

? ? ? 1.1 名詞解釋

? ? ? 1.2 線程同步與防同步

二、線程防同步方法

? ? ? 2.1 時(shí)間上防同步

? ? ? 2.2 空間上防同步

? ? ? 2.3 事后防同步

三、原子操作

? ? ? 3.1 int原子操作

? ? ? 3.2 long原子操作

? ? ? 3.3 bit原子操作

四、加鎖機(jī)制

? ? ? 4.1 鎖的底層原理

? ? ? 4.2 簡(jiǎn)單自旋鎖

? ? ? 4.3 互斥鎖

? ? ? 4.4 信號(hào)量

五、per-CPU 變量

六、RCU 簡(jiǎn)介

七、序列鎖

八、總結(jié)回顧

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?一、概念解析 ? ?我們?cè)诠ぷ髦袝?huì)經(jīng)常遇到線程同步，那么到底什么是線程同步呢，線程同步的本質(zhì)是什么，線程同步的方法又有哪些，為什么會(huì)有這些方法呢？在回答這些問(wèn)題之前，我們先做幾個(gè)名詞解釋?zhuān)员憬⒐餐母拍罨A(chǔ)。

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1.1 名詞解釋

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CPU： 本文中的CPU都是指邏輯CPU。
UP： 單處理器(單CPU)。
SMP： 對(duì)稱(chēng)多處理器(多CPU)。
線程、執(zhí)行流： 線程的本質(zhì)是一個(gè)執(zhí)行流，但執(zhí)行流不僅僅有線程，還有ISR、softirq、tasklet，都是執(zhí)行流。本文中說(shuō)到線程一般是泛指各種執(zhí)行流，除非是在需要區(qū)分不同執(zhí)行流時(shí)，線程才特指狹義的線程。
并發(fā)、并行： 并發(fā)是指線程在宏觀上表現(xiàn)為同時(shí)執(zhí)行，微觀上可能是同時(shí)執(zhí)行也可能是交錯(cuò)執(zhí)行，并行是指線程在宏觀上是同時(shí)執(zhí)行，微觀上也是同時(shí)執(zhí)行。
偽并發(fā)、真并發(fā)： 偽并發(fā)就是微觀上是交錯(cuò)執(zhí)行的并發(fā)，真并發(fā)就是并行。UP上只有偽并發(fā)，SMP上既有偽并發(fā)也有真并發(fā)。
臨界區(qū)： 訪問(wèn)相同數(shù)據(jù)的代碼段，如果可能會(huì)在多個(gè)線程中并發(fā)執(zhí)行，就叫做臨界區(qū)，臨界區(qū)可以是一個(gè)代碼段被多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行，也可以是多個(gè)不同的代碼段被多個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行。
同步： 首先線程同步的同步和同步異步的同步，不是一個(gè)意思。線程同步的同步，本文按照字面意思進(jìn)行解釋?zhuān)骄褪墙y(tǒng)一步調(diào)、同時(shí)執(zhí)行的意思。
線程同步現(xiàn)象： 線程并發(fā)過(guò)程中如果存在臨界區(qū)并發(fā)執(zhí)行的情況，就叫做線程同步現(xiàn)象。
線程防同步機(jī)制： 如果發(fā)生線程同步現(xiàn)象，由于臨界區(qū)會(huì)訪問(wèn)共同的數(shù)據(jù)，程序可能就會(huì)出錯(cuò)，因此我們要防止發(fā)生線程同步現(xiàn)象，也就是防止臨界區(qū)并發(fā)執(zhí)行的情況，為此我們采取的防范措施叫做線程防同步機(jī)制。

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1.2 線程同步與防同步

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為什么線程同步叫線程同步，不叫線程防同步，叫線程同步給人的感覺(jué)好像就是要讓線程同時(shí)執(zhí)行的意思啊。但是實(shí)際上線程同步是讓臨界區(qū)不要并發(fā)執(zhí)行的意思，不管你們倆誰(shuí)先執(zhí)行，只要錯(cuò)開(kāi)，誰(shuí)先誰(shuí)后執(zhí)行都可以。所以本文后面都采用線程防同步機(jī)制、防同步機(jī)制等詞。

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我小時(shí)候一直有個(gè)疑惑，感冒藥為啥叫感冒藥，感冒藥是讓人感冒的藥啊，不是應(yīng)該叫治感冒藥才對(duì)嗎，治療感冒的藥。后來(lái)一想，就沒(méi)有讓人感冒的藥，所以感冒藥表達(dá)的就是治療感冒的藥，沒(méi)必要加個(gè)治字。但是同時(shí)還有一種藥，叫老鼠藥，是治療老鼠的藥嗎，不是啊，是要毒死老鼠的藥，因?yàn)闆](méi)有人會(huì)給老鼠治病。不過(guò)我們那里也有把老鼠藥叫做害老鼠藥的，加個(gè)害字，意思更明確，不會(huì)有歧義。

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因此本文用了兩個(gè)詞，同步現(xiàn)象、防同步機(jī)制，使得概念更加清晰明確。

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說(shuō)了這么多就是為了闡述一個(gè)非常簡(jiǎn)單的概念，就是不能同時(shí)操作相同的數(shù)據(jù)，因?yàn)榭赡軙?huì)出錯(cuò)，所以我們要想辦法防止，這個(gè)方法我們把它叫做線程防同步。

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還有一個(gè)詞是競(jìng)態(tài)條件(race condition)，很多關(guān)于線程同步的書(shū)籍文檔中都有提到，但是我一直沒(méi)有理解是啥意思。競(jìng)態(tài)條件，條件，線程同步和條件也沒(méi)啥關(guān)系啊；競(jìng)態(tài)，也不知道是什么意思。再看它的英文，condition有情況的意思，race有賽跑、競(jìng)爭(zhēng)的意思，是不是要表達(dá)賽跑情況、競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象，想說(shuō)兩個(gè)線程在競(jìng)爭(zhēng)賽跑，看誰(shuí)能先訪問(wèn)到公共數(shù)據(jù)。我發(fā)現(xiàn)沒(méi)有競(jìng)態(tài)條件這個(gè)詞對(duì)我們理解線程同步問(wèn)題一點(diǎn)影響都沒(méi)有，有了這個(gè)詞反而不明所以，所以我們就忽略這個(gè)詞。

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?二、線程防同步方法

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在我們理解了同步現(xiàn)象、防同步機(jī)制這個(gè)詞后，下面的就很好理解了。同步現(xiàn)象是指同時(shí)訪問(wèn)相同的數(shù)據(jù)，那么如何防止呢，我不讓你同時(shí)訪問(wèn)相同的數(shù)據(jù)不就可以了嘛。因此防同步機(jī)制有三大類(lèi)方法。

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2.1 時(shí)間上防同步

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我不讓你們同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)，這樣就不會(huì)同時(shí)操作相同的數(shù)據(jù)了，有三種方法：

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1.原子操作
對(duì)于個(gè)別特別簡(jiǎn)單特別短的臨界區(qū)，CPU會(huì)提供一些原子指令，在一條指令中把多個(gè)操作完成，兩個(gè)原子指令必然一個(gè)在前一個(gè)在后地執(zhí)行，不可能同時(shí)執(zhí)行。原子指令能防偽并發(fā)和真并發(fā)，適用于UP和SMP。

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2.加鎖
對(duì)于大部分臨界區(qū)來(lái)說(shuō)，代碼都比較復(fù)雜，CPU不可能都去實(shí)現(xiàn)原子指令，因此可以在臨界區(qū)的入口處加鎖，同一時(shí)間只能有一個(gè)線程進(jìn)入，獲得鎖的線程進(jìn)入，在臨界區(qū)的出口處再釋放鎖。未獲得鎖的線程在外面等待，等待的方式有兩種，忙等待的叫做自旋鎖，休眠等待的叫做阻塞鎖。根據(jù)臨界區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作不同，鎖又可以分為單一鎖和讀寫(xiě)鎖，單一鎖不區(qū)分讀者寫(xiě)者，所有用戶(hù)都互斥；讀寫(xiě)鎖區(qū)分讀者和寫(xiě)者，讀者之間可以并行，寫(xiě)者與讀者、寫(xiě)者與寫(xiě)者之間是互斥的。自旋鎖有單一鎖和讀寫(xiě)鎖，阻塞鎖也有單一鎖和讀寫(xiě)鎖。自旋鎖只能防真并發(fā)，適用于SMP；休眠鎖能防偽并發(fā)和真并發(fā)，適用于UP和SMP。

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3.臨時(shí)禁用偽并發(fā)
對(duì)于某些由于偽并發(fā)而產(chǎn)生的同步問(wèn)題，可以通過(guò)在臨界區(qū)的入口處禁用此類(lèi)偽并發(fā)、在臨界區(qū)的出口處再恢復(fù)此類(lèi)偽并發(fā)來(lái)解決。這種方式顯然只能防偽并發(fā)，適用于UP和SMP上的單CPU。而自旋鎖只能防真并發(fā)，所以在SMP上經(jīng)常會(huì)同時(shí)使用這兩種方法，同時(shí)防偽并發(fā)和真并發(fā)。

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臨時(shí)禁用偽并發(fā)有三種情況：

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a.禁用中斷
如果線程和中斷、軟中斷和中斷之間會(huì)訪問(wèn)公共數(shù)據(jù)，那么在前者的臨界區(qū)內(nèi)可以臨時(shí)禁用后者，也就是禁用中斷，達(dá)到防止偽并發(fā)的目的。在后者的臨界區(qū)內(nèi)不用采取措施，因?yàn)榍罢卟荒軗屨己笳撸呛笳吣軗屨记罢摺Ｇ罢咭话銜?huì)同時(shí)使用禁中斷和自旋鎖，禁中斷防止偽并發(fā)，自旋鎖防止真并發(fā)。
b.禁用軟中斷
如果線程和軟中斷會(huì)訪問(wèn)公共數(shù)據(jù)，那么在前者的臨界區(qū)內(nèi)禁用后者，也就是禁用軟中斷，可以達(dá)到防止偽并發(fā)的目的。后者不用采取任何措施，因?yàn)榍罢卟粫?huì)搶占后者。前者也可以和自旋鎖并用，同時(shí)防止偽并發(fā)和真并發(fā)。
c.禁用搶占
如果線程和線程之間會(huì)訪問(wèn)公共數(shù)據(jù)，那么可以在臨界區(qū)內(nèi)禁用搶占，達(dá)到防止偽并發(fā)的目的。禁用搶占也可以和自旋鎖并用，同時(shí)防止偽并發(fā)和真并發(fā)。

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2.2 空間上防同步

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你們可以同時(shí)，但是我不讓你們?cè)L問(wèn)相同的數(shù)據(jù)，有兩種方法：

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1. 數(shù)據(jù)分割
把大家都要訪問(wèn)的公共數(shù)據(jù)分割成N份，各訪問(wèn)各的。這也有兩種情況：
a. 在SMP上如果多個(gè)CPU要經(jīng)常訪問(wèn)一個(gè)全局?jǐn)?shù)據(jù)，那么可以把這個(gè)數(shù)據(jù)拆分成NR_CPU份，每個(gè)CPU只訪問(wèn)自己對(duì)應(yīng)的那份，這樣就不存在并發(fā)問(wèn)題了，這個(gè)方法叫做 per-CPU 變量，只能防真并發(fā)，適用于SMP，需要和禁用搶占配合使用。
b. TLS，每個(gè)線程都用自己的局部數(shù)據(jù)，這樣就不存在并發(fā)問(wèn)題了，能防真并發(fā)和偽并發(fā)，適用于UP和SMP。

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2. 數(shù)據(jù)復(fù)制
RCU，只適用于用指針訪問(wèn)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。讀者復(fù)制指針，然后就可以隨意讀取數(shù)據(jù)了，所有的讀者可以共同讀一份數(shù)據(jù)。寫(xiě)者復(fù)制數(shù)據(jù)，然后就可以隨意修改復(fù)制后的數(shù)據(jù)了，因?yàn)檫@份數(shù)據(jù)是私有的，不過(guò)修改完數(shù)據(jù)之后要修改指針指向最新的數(shù)據(jù)，修改指針的這個(gè)操作需要是原子的。對(duì)于讀者來(lái)說(shuō)，它是復(fù)制完指針之后用自己的私有指針來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)的，所以它訪問(wèn)的要么是之前的數(shù)據(jù)，要么是修改之后的數(shù)據(jù)，而不會(huì)是不一致的數(shù)據(jù)。能防偽并發(fā)和真并發(fā)，適用于UP和SMP。

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2.3 事后防同步

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不去積極預(yù)防并發(fā)，而是假設(shè)不存在并發(fā)，直接訪問(wèn)數(shù)據(jù)。訪問(wèn)完了之后再檢查剛才是否有并發(fā)發(fā)生，如果有就再重來(lái)一遍，一直重試，直到?jīng)]有并發(fā)發(fā)生為止。這就是內(nèi)核里面的序列鎖seqlock，能防偽并發(fā)和真并發(fā)，適用于UP和SMP。

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下面我們來(lái)畫(huà)張圖總結(jié)一下：

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?三、原子操作 ? ?我們?cè)趧傞_(kāi)始學(xué)習(xí)線程同步時(shí)，經(jīng)常用來(lái)舉的一個(gè)例子就是，就連一個(gè)簡(jiǎn)單的i++操作都是線程不安全的。i++對(duì)于源碼來(lái)說(shuō)已經(jīng)是非常簡(jiǎn)單的語(yǔ)句了，但是它編譯成機(jī)器碼之后有三個(gè)指令，把數(shù)據(jù)從內(nèi)存加載到寄存器，把寄存器加1，把寄存器的值加1。如果有兩個(gè)線程同時(shí)執(zhí)行i++話，就會(huì)出問(wèn)題，比如i最開(kāi)始等于0，每個(gè)線程都循環(huán)一萬(wàn)次i++，我們期望最后的結(jié)果是兩萬(wàn)，但是實(shí)際上最后的結(jié)果是不到兩萬(wàn)的。對(duì)于UP來(lái)說(shuō)，兩個(gè)線程輪流執(zhí)行，如果線程切換的點(diǎn)落在三條指令之間就會(huì)出問(wèn)題。對(duì)于SMP來(lái)說(shuō)多個(gè)CPU同時(shí)執(zhí)行更會(huì)出問(wèn)題。為此我們可以采取的辦法可以是每次i++都加鎖，這樣做當(dāng)然可以，不過(guò)這么做有點(diǎn)殺雞用牛刀了。很多CPU專(zhuān)門(mén)為這種基本的整數(shù)操作提供了原子指令。

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3.1 int原子操作

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硬件提供的都是直接對(duì)整數(shù)的原子操作，但是在Linux內(nèi)核里并不是直接對(duì)一個(gè)int類(lèi)型進(jìn)行原子操作，而是對(duì)一個(gè)封裝后的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。本質(zhì)上還是對(duì)int進(jìn)行操作，那么為什么要做這么一層封裝呢？主要是為了接口語(yǔ)義，大家一看到一個(gè)變量是atomic_t類(lèi)型的，大家立馬就明白這是一個(gè)原子變量，不能使用普通加減操作進(jìn)行運(yùn)算，要使用專(zhuān)門(mén)的接口函數(shù)來(lái)操作才對(duì)。

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typedef struct {  int counter;}?atomic_t;

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那么對(duì)于 atomic_t的原子操作都有哪些呢？

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Atomic Integer Operation	Description
ATOMIC_INIT(int i)	At declaration, initialize to i
int atomic_read(atomic_t *v)	Atomically read the integer value of v
void atomic_set(atomic_t *v, int i)	Atomically set v equal to i.
void atomic_add(int i, atomic_t *v)	Atomically add i to v
void atomic_sub(int i, atomic_t *v)	Atomically subtract i from v
void atomic_inc(atomic_t *v)	Atomically add one to v
void atomic_dec(atomic_t *v)	Atomically subtract one from v
int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v)	Atomically subtract i from v and return true if the result is zero; otherwise false.
int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v)	Atomically add i to v and return true if the result is negative; otherwise false.
int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)	Atomically add i to v and return the result.
int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v)	Atomically subtract i from v and return the result.
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)	Atomically decrement v by one and return true if zero; false otherwise
int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)	Atomically increment v by one and return true if the result is zero; false otherwise.

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3.2 long原子操作

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如果上面的int類(lèi)型(32位)不能滿(mǎn)足我們的原子操作需求，系統(tǒng)還為我們定義了64位的原子變量。

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typedef struct {  s64 counter;}?atomic64_t;

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同樣的也為我們提供了一堆原子接口：

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Atomic Integer Operation	Description
ATOMIC64_INIT(int i)	At declaration, initialize to i
int atomic64_read(atomic_t *v)	Atomically read the integer value of v
void atomic64_set(atomic_t *v, int i)	Atomically set v equal to i.
void atomic64_add(int i, atomic_t *v)	Atomically add i to v
void atomic64_sub(int i, atomic_t *v)	Atomically subtract i from v
void atomic64_inc(atomic_t *v)	Atomically add one to v
void atomic64_dec(atomic_t *v)	Atomically subtract one from v
int atomic64_sub_and_test(int i, atomic_t *v)	Atomically subtract i from v and return true if the result is zero; otherwise false.
int atomic64_add_negative(int i, atomic_t *v)	Atomically add i to v and return true if the result is negative; otherwise false.
int atomic64_add_return(int i, atomic_t *v)	Atomically add i to v and return the result.
int atomic64_sub_return(int i, atomic_t *v)	Atomically subtract i from v and return the result.
int atomic64_dec_and_test(atomic_t *v)	Atomically decrement v by one and return true if zero; false otherwise
int atomic64_inc_and_test(atomic_t *v)	Atomically increment v by one and return true if the result is zero; false otherwise.

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3.3 bit原子操作

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系統(tǒng)還給我們提供了位運(yùn)算的原子操作，不過(guò)并沒(méi)有封裝數(shù)據(jù)類(lèi)型，而是操作一個(gè)void * 指針?biāo)赶虻臄?shù)據(jù)，我們要操作的位數(shù)要在我們希望的數(shù)據(jù)之內(nèi)，這點(diǎn)是由我們自己來(lái)保證的。

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Atomic Bitwise Operation	Description
void set_bit(int nr, void *addr)	Atomically set the nr-th bit starting from addr.
void clear_bit(int nr, void *addr)	Atomically clear the nr-th bit starting from addr.
void change_bit(int nr, void *addr)	Atomically flip the value of the nr-th bit starting from addr.
int test_and_set_bit(int nr, void *addr)	Atomically set the nr-th bit starting from addr and return the previous value.
int test_and_clear_bit(int nr, void *addr)	Atomically clear the nr-th bit starting from addr and return the previous value.
int test_and_change_bit(int nr, void *addr)	Atomically flip the nr-th bit starting from addr and return the previous value.
int test_bit(int nr, void *addr)	Atomically return the value of the nrth bit starting from addr.

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有了原子操作，我們對(duì)這些簡(jiǎn)單的基本運(yùn)算就不用使用加鎖機(jī)制了，就可以提高效率。

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?四、加鎖機(jī)制 ? ?有很多臨界區(qū)，并不是一些簡(jiǎn)單的整數(shù)運(yùn)算，不可能要求硬件都給提供原子操作。為此，我們需要鎖機(jī)制，在臨界區(qū)的入口進(jìn)行加鎖操作，加到鎖的才能進(jìn)入臨界區(qū)進(jìn)行操作，加不到鎖的要一直在臨界區(qū)外面等候。等候的方式有兩種，一種是忙等待，就是自旋鎖，一種是休眠等待，就是阻塞鎖，阻塞鎖在Linux里面的實(shí)現(xiàn)叫做互斥鎖。

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4.1 鎖的底層原理

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我們?cè)撊绾螌?shí)現(xiàn)一個(gè)鎖呢，下面我們嘗試直接用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)試試，代碼如下：

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int lock = 0;
void lock(int * lock){start:  if(*lock == 0)    *lock = 1;  else{    wait();    goto start;  }}
void unlock(int * lock){  *lock = 0;  wakeup();}

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可以看到這個(gè)鎖的實(shí)現(xiàn)邏輯很簡(jiǎn)單，定義一個(gè)整數(shù)作為鎖，0代表沒(méi)人持鎖，1代表有人持鎖。我們先判斷鎖的值，如果是0代表沒(méi)人持鎖，我們給鎖賦值1，代表我們獲得了鎖，然后函數(shù)返回，就可以進(jìn)入臨界區(qū)了。如果鎖是1，代表有人已經(jīng)持有了鎖，此時(shí)我們就需要等待，等待函數(shù)wait，可以用忙等待，也可以用休眠等待。釋放鎖的時(shí)候把鎖設(shè)為0，然后wakeup其他線程或者為空操作。被喚醒的線程從wait中醒來(lái)，然后又重走加鎖流程。但是這里面有個(gè)問(wèn)題，就是加鎖操作也是個(gè)臨界區(qū)，如果兩個(gè)線程在兩個(gè)CPU上同時(shí)執(zhí)行到加鎖函數(shù)，雙方都檢測(cè)到鎖是0，然后都把鎖置為1，都加鎖成功，這不是出問(wèn)題了嗎。鎖就是用來(lái)保護(hù)臨界區(qū)的，但是加鎖本身也是臨界區(qū)，也需要保護(hù)，該怎么辦呢？唯一的方法就是求助于硬件，讓加鎖操作成為原子操作，X86平臺(tái)提供了CAS指令來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。CAS，Compare and Swap，比較并交換，它的接口邏輯是這樣的：

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int?cas(int?*?p,?old_value,?new_value)

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如果p位置的值等于old_value，就把p位置的值設(shè)置為new_value，并返回1，否則返回0。關(guān)鍵就在于cas它是硬件實(shí)現(xiàn)的，是原子的。這樣我們就可以用cas指令來(lái)實(shí)現(xiàn)鎖的邏輯，如下所示：

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int lock = 0;
void lock(int * lock){start:  if(cas(lock, 0, 1))    return;  else{    wait();    goto start;  }}
void unlock(int * lock){  *lock = 0;  wakeup();}

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4.2 簡(jiǎn)單自旋鎖

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為什么在這里要先講簡(jiǎn)單自旋鎖呢？因?yàn)榛コ怄i、信號(hào)量這些鎖的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)都用了自旋鎖，所以先把自旋鎖的邏輯講清楚才能繼續(xù)講下去。為什么是簡(jiǎn)單自旋鎖呢，因?yàn)樽孕i現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展得很復(fù)雜了，所以這里就是講一下自旋鎖的簡(jiǎn)單版本，因?yàn)樗鼈兊幕具壿嬍且恢碌摹Ｗ孕i由于在加鎖失敗時(shí)是忙等待，所以不用考慮等待隊(duì)列、睡眠喚醒的問(wèn)題，所以實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，下面是簡(jiǎn)單自旋鎖的實(shí)現(xiàn)代碼：

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int lock = 0;
void spin_lock(int * lock){  while(!cas(lock, 0, 1))}
void spin_unlock(int * lock){  *lock = 0;}

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可以看到簡(jiǎn)單自旋鎖的代碼是相當(dāng)簡(jiǎn)單，加鎖的時(shí)候不停地嘗試加鎖，一直失敗一直加，直到成功才返回。釋放鎖的時(shí)候更簡(jiǎn)單，直接把鎖置為0就可以了。此時(shí)如果有其它自旋鎖在自旋，由于鎖已經(jīng)變成了0，所以就會(huì)加鎖成功，結(jié)束自旋。注意這個(gè)代碼只是自旋鎖的邏輯演示，并不是真正的自旋鎖實(shí)現(xiàn)。

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4.3 互斥鎖

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互斥鎖是休眠鎖，加鎖失敗時(shí)要把自己放入等待隊(duì)列，釋放鎖的時(shí)候要考慮喚醒等待隊(duì)列的線程。互斥鎖的定義如下(刪除了一些配置選項(xiàng))：

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struct mutex {  atomic_long_t    owner;  raw_spinlock_t    wait_lock;  struct list_head  wait_list;};

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可以看到互斥鎖的定義有atomic_long_t owner，這個(gè)和我們之前定義的int lock是相似的，只不過(guò)這里是個(gè)加強(qiáng)版，0代表沒(méi)加鎖，加鎖的時(shí)候是非0，而不是簡(jiǎn)單的1，而是記錄的是加鎖的線程。然后是自旋鎖和等待隊(duì)列，自旋鎖是用來(lái)保護(hù)等待隊(duì)列的。這里的自旋鎖為什么要用raw_spinlock_t呢，它和spinlock_t有什么區(qū)別呢？在標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)核版本下是沒(méi)有區(qū)別的，如果打了RTLinux補(bǔ)丁之后它們就不一樣了，spinlock_t會(huì)轉(zhuǎn)化為阻塞鎖，raw_spinlock_t還是自旋鎖，如果需要在任何情況下都要自旋的話請(qǐng)使用raw_spinlock_t。下面我們看一下它的加鎖操作：

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void __sched mutex_lock(struct mutex *lock){  might_sleep();
  if (!__mutex_trylock_fast(lock))    __mutex_lock_slowpath(lock);}static __always_inline bool __mutex_trylock_fast(struct mutex *lock){  unsigned long curr = (unsigned long)current;  unsigned long zero = 0UL;
  if (atomic_long_try_cmpxchg_acquire(&lock->owner, &zero, curr))    return true;
  return false;}

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可以看到加鎖時(shí)先嘗試直接加鎖，用的就是CAS原子指令(x86的CAS指令叫做cmpxchg)。如果owner是0，代表當(dāng)前鎖是開(kāi)著的，就把owner設(shè)置為自己(也就是當(dāng)前線程，struct task_struct * 強(qiáng)轉(zhuǎn)為 ulong)，代表自己成為這個(gè)鎖的主人，也就是自己加鎖成功了，然后返回true。如果owner不為0的話，代表有人已經(jīng)持有鎖了，返回false，后面就要走慢速路徑了，也就是把自己放入等待隊(duì)列里休眠等待。下面看看慢速路徑的代碼是怎么實(shí)現(xiàn)的：

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static noinline void __sched__mutex_lock_slowpath(struct mutex *lock){  __mutex_lock(lock, TASK_UNINTERRUPTIBLE, 0, NULL, _RET_IP_);}
static int __sched__mutex_lock(struct mutex *lock, unsigned int state, unsigned int subclass,       struct lockdep_map *nest_lock, unsigned long ip){  return __mutex_lock_common(lock, state, subclass, nest_lock, ip, NULL, false);}
static __always_inline int __sched__mutex_lock_common(struct mutex *lock, unsigned int state, unsigned int subclass,        struct lockdep_map *nest_lock, unsigned long ip,        struct ww_acquire_ctx *ww_ctx, const bool use_ww_ctx){  struct mutex_waiter waiter;  int ret;
  raw_spin_lock(&lock->wait_lock);  waiter.task = current;  __mutex_add_waiter(lock, &waiter, &lock->wait_list);
  set_current_state(state);  for (;;) {    bool first;    if (__mutex_trylock(lock))      goto acquired;
    raw_spin_unlock(&lock->wait_lock);    schedule_preempt_disabled();
    first = __mutex_waiter_is_first(lock, &waiter);    set_current_state(state);    if (__mutex_trylock_or_handoff(lock, first))      break;
    raw_spin_lock(&lock->wait_lock);  }
acquired:  __set_current_state(TASK_RUNNING);  __mutex_remove_waiter(lock, &waiter);  raw_spin_unlock(&lock->wait_lock);
  return ret;}
static void__mutex_add_waiter(struct mutex *lock, struct mutex_waiter *waiter,       struct list_head *list){  debug_mutex_add_waiter(lock, waiter, current);
  list_add_tail(&waiter->list, list);  if (__mutex_waiter_is_first(lock, waiter))    __mutex_set_flag(lock, MUTEX_FLAG_WAITERS);}

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可以看到慢速路徑最終會(huì)調(diào)用函數(shù)__mutex_lock_common，這個(gè)函數(shù)本身是很復(fù)雜的，這里進(jìn)行了大量的刪減，只保留了核心邏輯。函數(shù)先加鎖mutex的自旋鎖，然后把自己放到等待隊(duì)列上去，然后就在無(wú)限for循環(huán)中休眠并等待別人釋放鎖并喚醒自己。For循環(huán)的入口處先嘗試加鎖，如果成功就goto acquired，如果不成功就釋放自旋鎖，并調(diào)用schedule_preempt_disabled，此函數(shù)就是休眠函數(shù)，它會(huì)調(diào)度其它進(jìn)程來(lái)執(zhí)行，自己就休眠了，直到有人喚醒自己才會(huì)醒來(lái)繼續(xù)執(zhí)行。別人釋放鎖的時(shí)候會(huì)喚醒自己，這個(gè)我們后面會(huì)分析。當(dāng)我們被喚醒之后會(huì)去嘗試加鎖，如果加鎖失敗，再次來(lái)到for循環(huán)的開(kāi)頭處，再試一次加鎖，如果不行就再走一次休眠過(guò)程。為什么我們加鎖會(huì)失敗呢，因?yàn)橛锌赡芏鄠€(gè)線程同時(shí)被喚醒來(lái)爭(zhēng)奪鎖，我們不一定會(huì)搶鎖成功。搶鎖失敗就再去休眠，最后總會(huì)搶鎖成功的。

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把自己加入等待隊(duì)列時(shí)會(huì)設(shè)置flag MUTEX_FLAG_WAITERS，這個(gè)flag是設(shè)置在owner的低位上去，因?yàn)閠ask_struct指針至少是L1_CACHE_BYTES對(duì)齊的，所以最少有3位可以空出來(lái)做flag。

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下面我們?cè)賮?lái)看一下釋放鎖的流程：

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void __sched mutex_unlock(struct mutex *lock){  if (__mutex_unlock_fast(lock))    return;  __mutex_unlock_slowpath(lock, _RET_IP_);}
static __always_inline bool __mutex_unlock_fast(struct mutex *lock){  unsigned long curr = (unsigned long)current;
  return atomic_long_try_cmpxchg_release(&lock->owner, &curr, 0UL);}

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解鎖的時(shí)候先嘗試快速解鎖，快速解鎖的意思是沒(méi)有其它在等待隊(duì)列里，可以直接釋放鎖。怎么判斷等待隊(duì)列里沒(méi)有線程在等待呢，這就是前面設(shè)置的MUTEX_FLAG_WAITERS的作用了。如果設(shè)置了這個(gè)flag，lock->owner 和 curr就不會(huì)相等，直接釋放鎖就會(huì)失敗，就要走慢速路徑。慢速路徑的代碼如下：

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static noinline void __sched __mutex_unlock_slowpath(struct mutex *lock, unsigned long ip){  struct task_struct *next = NULL;  DEFINE_WAKE_Q(wake_q);  unsigned long owner;
  owner = atomic_long_read(&lock->owner);  for (;;) {    if (atomic_long_try_cmpxchg_release(&lock->owner, &owner, __owner_flags(owner))) {      if (owner & MUTEX_FLAG_WAITERS)        break;    }  }
  raw_spin_lock(&lock->wait_lock);  if (!list_empty(&lock->wait_list)) {    struct mutex_waiter *waiter =      list_first_entry(&lock->wait_list,           struct mutex_waiter, list);    next = waiter->task;    wake_q_add(&wake_q, next);  }  raw_spin_unlock(&lock->wait_lock);  wake_up_q(&wake_q);}

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上述代碼進(jìn)行了一些刪減。可以看出上述代碼會(huì)先釋放鎖，然后喚醒等待隊(duì)列里面的第一個(gè)等待者。

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4.4 信號(hào)量

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信號(hào)量與互斥鎖有很大的不同，互斥鎖代表只有一個(gè)線程能同時(shí)進(jìn)入臨界區(qū)，而信號(hào)量是個(gè)整數(shù)計(jì)數(shù)，代表著某一類(lèi)資源有多少個(gè)，能同時(shí)讓多少個(gè)線程訪問(wèn)這類(lèi)資源。信號(hào)量也沒(méi)有加鎖解鎖操作，信號(hào)量類(lèi)似的操作叫做down和up，down代表獲取一個(gè)資源，up代表歸還一個(gè)資源。

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下面我們先看一下信號(hào)量的定義：

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struct semaphore {  raw_spinlock_t    lock;  unsigned int    count;  struct list_head  wait_list;};
#define __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, n)        {                    .lock    = __RAW_SPIN_LOCK_UNLOCKED((name).lock),    .count    = n,              .wait_list  = LIST_HEAD_INIT((name).wait_list),    }
static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val){  *sem = (struct semaphore) __SEMAPHORE_INITIALIZER(*sem, val);}

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可以看出信號(hào)量和互斥鎖的定義很相似，都有一個(gè)自旋鎖，一個(gè)等待隊(duì)列，不同的是信號(hào)量沒(méi)有owner，取而代之的是count，代表著某一類(lèi)資源的個(gè)數(shù)，而且自旋鎖同時(shí)保護(hù)著等待隊(duì)列和count。信號(hào)量初始化時(shí)要指定count的大小。

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我們來(lái)看一下信號(hào)量的down操作(獲取一個(gè)資源)：

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void down(struct semaphore *sem){  unsigned long flags;
  might_sleep();  raw_spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);  if (likely(sem->count > 0))    sem->count--;  else    __down(sem);  raw_spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);}
static noinline void __sched __down(struct semaphore *sem){  __down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);}
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;}

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可以看出我們會(huì)先持有自旋鎖，然后看看count是不是大于0，大于0的話代表資源還有剩余，我們直接減1，代表占用一份資源，就可以返回了。如果不大于0的話，代表資源沒(méi)有了，我們就進(jìn)去等待隊(duì)列等待。

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我們?cè)賮?lái)看看up操作(歸還資源)：

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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);}
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);}

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先加鎖自旋鎖，然后看看等待隊(duì)列是否為空，如果為空的話直接把count加1就可以了。如果不為空的話，則代表有人在等待資源，資源就不加1了，直接喚醒隊(duì)首的線程來(lái)獲取。

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?五、per-CPU變量 ? ?前面講的原子操作和加鎖機(jī)制都是從時(shí)間上防同步的，現(xiàn)在我們開(kāi)始講空間上防同步，先來(lái)講講per-CPU變量。如果我們要操作的數(shù)據(jù)和當(dāng)前CPU是密切相關(guān)的，不同的CPU可以操作不同的數(shù)據(jù)，那么我們就可以把這個(gè)變量定義為per-CPU變量，每個(gè)CPU就可以各訪問(wèn)各的，互不影響了。這個(gè)方法可以防止多個(gè)CPU之間的真并發(fā)，但是同一個(gè)CPU上如果有偽并發(fā)，還是會(huì)出問(wèn)題，所以還需要禁用偽并發(fā)。per-CPU變量的定義和使用方法如下表所示：

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Macro or function name	Description
DEFINE_PER_CPU(type, name)	Statically allocates a per-CPU array called name of type data structures
per_cpu(name, cpu)	Selects the element for CPU cpu of the per-CPU array name
_ _get_cpu_var(name)	Selects the local CPU’s element of the per-CPU array name
get_cpu_var(name)	Disables kernel preemption, then selects the local CPU’s element of the per-CPU array name
put_cpu_var(name)	Enables kernel preemption (name is not used)
alloc_percpu(type)	Dynamically allocates a per-CPU array of type data structures and returns its address
free_percpu(pointer)	Releases a dynamically allocated per-CPU array at address pointer
per_cpu_ptr(pointer, cpu)	Returns the address of the element for CPU cpu of the per-CPU array at address pointer

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?六、RCU簡(jiǎn)介 ? ?RCU是一種非常巧妙的空間防同步方法。首先它只能用于用指針訪問(wèn)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。其次它采取讀者和寫(xiě)者分開(kāi)的方法，讀者讀取數(shù)據(jù)要先復(fù)制指針，用這個(gè)復(fù)制的指針來(lái)訪問(wèn)數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)是只讀的，不會(huì)被修改，很多讀者可以同時(shí)來(lái)訪問(wèn)。寫(xiě)者并不去直接更改數(shù)據(jù)，而是先申請(qǐng)一塊內(nèi)存空間，把數(shù)據(jù)都復(fù)制過(guò)來(lái)，在這個(gè)復(fù)制的數(shù)據(jù)上修改數(shù)據(jù)，由于這塊數(shù)據(jù)是私有的，所以可以隨意修改，也不用加鎖。修改完了之后，寫(xiě)者要原子的修改指針的值，讓它指向自己新完成的數(shù)據(jù)。這對(duì)于讀者來(lái)說(shuō)是沒(méi)有影響的，因?yàn)樽x者已經(jīng)復(fù)制了指針，所以讀者讀的還是原來(lái)的數(shù)據(jù)沒(méi)有變，新來(lái)的讀者會(huì)復(fù)制新的指針，訪問(wèn)新的數(shù)據(jù)，讀者訪問(wèn)的一直都是一致性的數(shù)據(jù)，不會(huì)訪問(wèn)到修改一半的數(shù)據(jù)。RCU的難點(diǎn)在于，原有的數(shù)據(jù)怎么回收，當(dāng)寫(xiě)者更新指針之后，原先的數(shù)據(jù)就過(guò)期了，當(dāng)所有老的讀者都離開(kāi)臨界區(qū)之后，這個(gè)數(shù)據(jù)的內(nèi)存需要被釋放，寫(xiě)者需要判斷啥時(shí)候老的讀者全都離開(kāi)臨界區(qū)了，才能去釋放老的數(shù)據(jù)。

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?七、序列鎖 ? ?除了前面講的時(shí)間防同步、空間防同步，Linux還有一種非常巧妙的防同步方法，那就是不妨了事后再補(bǔ)救，我第一次看到這個(gè)方法的時(shí)候，真是拍案叫絕，驚嘆不已，還能這么做。這種方法叫做序列鎖，它的思想就好比是，我家里也不鎖門(mén)了，小偷偷就偷吧，偷了我就再報(bào)警把東西找回來(lái)。反正小偷又不是天天來(lái)我家偷東西，小偷來(lái)的次數(shù)非常少，我天天鎖門(mén)太費(fèi)勁了。我每天早上看一下啥東西丟了沒(méi)，丟了就報(bào)警把東西找回來(lái)。當(dāng)然這個(gè)類(lèi)比并不完全像，只是大概邏輯比較像，下面我們就來(lái)講一講序列鎖的做法。序列鎖區(qū)分讀者和寫(xiě)者，讀者可以并行，寫(xiě)者還是需要互斥的，讀者和寫(xiě)者之間也可以并行，所以當(dāng)讀者很頻繁，寫(xiě)者很偶發(fā)的時(shí)候就適合用序列鎖。這個(gè)鎖有一個(gè)序列號(hào)，初始值是0，寫(xiě)者進(jìn)入臨界區(qū)時(shí)把這個(gè)序列號(hào)加1，退出時(shí)再加1，讀者讀之前先獲取這個(gè)鎖的序列號(hào)，如果是奇數(shù)說(shuō)明有寫(xiě)者在臨界區(qū)，就不停地獲取序列號(hào)，直到序列號(hào)為偶數(shù)為止。然后讀者進(jìn)入臨界區(qū)進(jìn)行讀操作，然后退出臨界區(qū)的時(shí)候再讀取一下序列號(hào)。如果和剛才獲取的序列號(hào)不一樣，說(shuō)明有寫(xiě)者剛才進(jìn)來(lái)過(guò)，再重新走一遍剛才的操作。如果序列號(hào)還不一樣就一直重復(fù)，直到序列號(hào)一樣為止。

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下面我們先來(lái)看看序列鎖的定義：

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typedef struct seqcount {  unsigned sequence;} seqcount_t;
typedef struct {  seqcount_spinlock_t seqcount;  spinlock_t lock;}?seqlock_t;

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seqlock_t包含一個(gè)自旋鎖和一個(gè)seqcount_spinlock_t，seqcount_spinlock_t經(jīng)過(guò)一些復(fù)雜的宏定義包含了seqcount_t，所以可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為seqlock_t包含一個(gè)自旋鎖和一個(gè)int序列號(hào)。

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下面我們看一下寫(xiě)者的操作：

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 #include pid_t?fork(void);

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寫(xiě)者的操作很簡(jiǎn)單，就是用自旋鎖實(shí)現(xiàn)互斥，然后加鎖解釋的時(shí)候都把序列號(hào)增加1。

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下面看讀者的操作：

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static inline void write_seqlock(seqlock_t *sl){  spin_lock(&sl->lock);  do_write_seqcount_begin(&sl->seqcount.seqcount);}
static inline void write_sequnlock(seqlock_t *sl){  do_write_seqcount_end(&sl->seqcount.seqcount);  spin_unlock(&sl->lock);}

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讀者進(jìn)入臨界區(qū)之前先通過(guò)read_seqbegin獲取一個(gè)序列號(hào)，在臨界區(qū)的時(shí)候調(diào)用read_seqretry看看是否需要重走一遍臨界區(qū)。我們下面看一下內(nèi)核里使用序列鎖的一個(gè)例子：

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static inline unsigned read_seqbegin(const seqlock_t *sl){  unsigned ret = read_seqcount_begin(&sl->seqcount);
  kcsan_atomic_next(0);  /* non-raw usage, assume closing read_seqretry() */  kcsan_flat_atomic_begin();  return ret;}
static inline unsigned read_seqretry(const seqlock_t *sl, unsigned start){  /*   * Assume not nested: read_seqretry() may be called multiple times when   * completing read critical section.   */  kcsan_flat_atomic_end();
  return read_seqcount_retry(&sl->seqcount, start);}

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可以看到寫(xiě)者使用序列鎖和正常的使用方法是一樣的，讀者使用序列鎖一般都是配合do while循環(huán)一起使用。

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通過(guò)本文，我們明白了線程同步的本質(zhì)，了解了線程防同步的基本邏輯和具體方法。防同步就是防止多個(gè)執(zhí)行流同時(shí)訪問(wèn)相同的數(shù)據(jù)，所以我們可以從兩點(diǎn)來(lái)防，一個(gè)是同時(shí)(時(shí)間上防同步)，一個(gè)是相同的數(shù)據(jù)(空間上防同步)。時(shí)間上防同步我們采取的方法有原子操作，通過(guò)硬件來(lái)防止同時(shí)，加鎖機(jī)制，軟件方法來(lái)防同時(shí)，還有禁用偽并發(fā)，防止宏觀上的同時(shí)微觀上的交錯(cuò)。空間防同步我們采取的方法有數(shù)據(jù)分割、per CPU變量，每個(gè)CPU值訪問(wèn)自己對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)復(fù)制，RCU，讀的時(shí)候復(fù)制指針，讀的數(shù)據(jù)是不變的，寫(xiě)的時(shí)候不直接改變數(shù)據(jù)，而是先把數(shù)據(jù)復(fù)制過(guò)來(lái)，修改自己的私有副本，這樣就不會(huì)有同步的問(wèn)題，然后再原子地更新指針指向最新的數(shù)據(jù)。

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?八、總結(jié)回顧 ? ?通過(guò)本文，我們明白了線程同步的本質(zhì)，了解了線程防同步的基本邏輯和具體方法。防同步就是防止多個(gè)執(zhí)行流同時(shí)訪問(wèn)相同的數(shù)據(jù)，所以我們可以從兩點(diǎn)來(lái)防，一個(gè)是同時(shí)(時(shí)間上防同步)，一個(gè)是相同的數(shù)據(jù)(空間上防同步)。時(shí)間上防同步我們采取的方法有原子操作，通過(guò)硬件來(lái)防止同時(shí)，加鎖機(jī)制，軟件方法來(lái)防同時(shí)，還有禁用偽并發(fā)，防止宏觀上的同時(shí)微觀上的交錯(cuò)。空間防同步我們采取的方法有數(shù)據(jù)分割、per CPU變量，每個(gè)CPU值訪問(wèn)自己對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)復(fù)制，RCU，讀的時(shí)候復(fù)制指針，讀的數(shù)據(jù)是不變的，寫(xiě)的時(shí)候不直接改變數(shù)據(jù)，而是先把數(shù)據(jù)復(fù)制過(guò)來(lái)，修改自己的私有副本，這樣就不會(huì)有同步的問(wèn)題，然后再原子地更新指針指向最新的數(shù)據(jù)。

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