Linux内核锁机制-开发者社区

Linux内核为了解决并发访问共享资源时带来的数据不一致的问题，提供了锁机制。下面可以看一下实际的例子

共享访问问题

假设有两个中断处理程序(或者两个CPU核心)同时修改一个全局变量count

int count = 10; void isr1(void) { count++; } void isr2(void) { count++; }

在C语言中count++看起来是一行代码，实际在CPU层面，被翻译成3条指令

1、从内存取出count的值 (读)
2、将count的值加1(改)
3、将count的新值重新写会内存 (写)

当两个CPU同时访问时，会发生以下事情

时刻 CPU0（中断0） CPU1（中断1） T1 LOAD count (10) T2 LOAD count (10) T3 ADD (10 → 11) T4 ADD (10 → 11) ← 基于旧值！ T5 STORE count (11) T6 STORE count (11) ← 覆盖！ 结果：执行了两次 count++，期望 12，实际得到 11 ❌

以上的情况就是经典的访问共享数据产生的问题。如果没有锁，访问共享数据会导致数据错乱。

为了解决此类，Linux内核实现了互斥锁和自旋锁两种机制。实际上锁和解锁的实现依赖于CPU的硬件架构，不同架构的CPU在实现锁的机制上都会不同，主要是通过操作CPU硬件实现锁功能。而内核则是在这些硬件上重新进行封装，以匹配不同的CPU。

自旋锁(spinlock)

自旋锁是一种忙等待的锁机制。当一个线程尝试获取已被其他线程持有的自旋锁时，它不会进入睡眠状态，而是在循环中不断检查锁的状态（就像在原地“自旋”），直到锁被释放。

自旋锁初始化

自旋锁初始化有两种初始化，分别是静态初始化和动态初始化

// 直接定义并初始化一个名为 my_lock 的自旋锁 DEFINE_SPINLOCK(my_lock); spinlock_t my_lock; // 1. 先定义 spin_lock_init(&my_lock); // 2. 后初始化

上锁

上锁
函数	调度/睡眠	备注
spin_lock	忙等待	只能在进程上下文使用，不能用在中断上下文
spin_lock_irq	忙等待	需要禁用中断，中断状态会被覆盖
spin_lock_irqsave	忙等待	保存中断状态并禁用本地中断，推荐使用
spin_trylock	非阻塞	尝试获取自旋锁，如果获取失败则返回
spin_trylock_irq	非阻塞	跟spin_lock_irq一样，获取失败返回
spin_trylock_irqsave	非阻塞	跟spin_trylock_irqsave一样，获取失败返回

解锁

解锁
函数	备注
spin_unlock	释放锁
spin_unlock_irq	释放锁并恢复本地中断
spin_unlock_irqrestore	释放锁，恢复中断状态，恢复本地中断，推荐使用

注意事项

持有自旋锁期间绝对不能休眠

spin_lock(&lock); // ❌ 错误：以下行为都会睡眠 kmalloc(..., GFP_KERNEL); // 可能睡眠 copy_from_user(); // 可能缺页睡眠 msleep(100); // 显式睡眠 mutex_lock(&mutex); // 可能睡眠 spin_unlock(&lock);

中断上下文使用自旋锁需要关中断

如果锁可能在中断处理程序中被获取，那么在进程上下文中获取该锁时，必须先禁用本地中断

// ❌ 错误：可能死锁 spin_lock(&lock); // 此时中断发生，中断处理程序也尝试 spin_lock(&lock) // 进程上下文持有锁，中断等待锁 → 死锁 // ✅ 正确 spin_lock_irqsave(&lock, flags); /* 临界区，此时不会被打断 */ spin_unlock_irqrestore(&lock, flags);

自旋锁不能递归

void func1(void) { spin_lock(&lock); func2(); // func2 也尝试获取 lock → 死锁！ spin_unlock(&lock); } void func2(void) { spin_lock(&lock); // ❌ 已经持有，再次获取 → 死锁 spin_unlock(&lock); }

内核推荐使用spin_lock_irqsave和spin_unlock_irqrestore这两个加锁和解锁函数，这样无论是在进程上下文还是中断上下文都可以安全使用自旋锁

互斥锁

互斥锁是一种睡眠等待的锁机制。当一个线程尝试获取已被其他线程持有的互斥锁时，它不会像自旋锁那样"自旋"空耗CPU，而是主动让出CPU进入睡眠状态，直到锁被释放后被唤醒。

互斥锁初始化

互斥锁初始化有两种初始化，分别是静态初始化和动态初始化

// 直接定义并初始化一个名为 my_mutex 的互斥锁 DEFINE_MUTEX(my_mutex); struct mutex my_mutex; // 1. 先定义 mutex_init(&my_mutex); // 2. 后初始化

上锁

上锁
函数	备注
mutex_lock	如果锁被持有，则进行睡眠，不可被中断
mutex_lock_interruptible	如果锁被持有，则进行睡眠，可被信号打断
mutex_trylock	如果锁被持有，则立刻返回，不睡眠