【代码模版】Linux内核mutex用法?(mutex_init、mutex_lock_interruptible、mutex_unlock)

背景

在计算机科学中，mutex 是 “mutual exclusion”（互斥）的缩写，它是一种同步机制，用于防止多个线程或进程同时访问共享资源，从而避免出现数据不一致或冲突等问题。
本文展示mutex(互斥锁)的两种实现方式：静态定义(DEFINE_MUTEX)和动态分配(mutex_init)。

互斥锁mutex的一些基本特点、约束和限制

基本特点：

• 互斥性：同一时间只能有一个持有者（进程 / 线程）。
• 睡眠等待：获取不到锁时，进程会进入睡眠状态（TASK_INTERRUPTIBLE 或 TASK_UNINTERRUPTIBLE），不会消耗 CPU 资源。
• 所有权：锁的持有者必须是获取它的进程，且只能由持有者释放（防止误释放）。
• 非递归：同一进程不能对已持有的 mutex 再次加锁（否则会导致死锁）。

主要限制（重点关注中断上下文）：

• 不能在中断上下文使用
  中断上下文（如中断处理函数、软中断、tasklet 等）中不能使用 mutex，因为获取 mutex 时可能会导致进程睡眠，而中断上下文不允许睡眠（没有可调度的进程实体），强行使用会引发内核崩溃。
  若中断处理函数中尝试获取一个已被持有（如被进程上下文持有）的 mutex，会导致死锁（进程等待中断处理完成，中断等待进程释放锁）。
  不能在原子上下文使用
• 原子上下文（如持有 spinlock 时、禁止抢占的代码段）中也不能使用 mutex，因为原子上下文同样不允许睡眠。
• 持有时间不宜过长
  由于 mutex 会导致等待进程睡眠，若持有锁的时间过长，会降低系统响应性，适合保护短时间的临界区。长时间持有锁应考虑其他机制（如信号量）。
• 初始化与销毁限制
  静态定义的 mutex 需用 DEFINE_MUTEX(name) 初始化。
  动态分配的 mutex 需用 mutex_init(&mutex) 初始化，且必须在使用前完成。
  销毁 mutex 前必须确保它已被释放，且没有进程在等待它。

互斥锁mutex与 自旋锁spinlock 的对比

特性	mutex	spinlock
等待方式	睡眠（不占用 CPU）	忙等（占用 CPU）
适用场景	临界区执行时间较长	临界区执行时间极短
中断上下文	禁止使用	可使用（需配合关中断）
递归加锁	不支持	不支持（特殊变种除外）

简单来说，mutex 是用户态互斥锁在 kernel 中的对应实现，但受内核上下文特性限制，其使用场景比用户态更严格，尤其是绝对禁止在中断上下文使用。

内核KO

C:
静态定义核心几点：
static DEFINE_MUTEX(static_mutex);//初始化
mutex_lock_interruptible(&static_mutex)//上锁
mutex_unlock(&static_mutex);//解锁

动态定义核心几点：
dynamic_mutex = kmalloc(sizeof(struct mutex), GFP_KERNEL);
mutex_init(dynamic_mutex); //初始化
mutex_lock_interruptible(dynamic_mutex) //上锁
mutex_unlock(dynamic_mutex); //解锁

#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/mutex.h>
#include <linux/kthread.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/slab.h>

MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("beiming");
MODULE_DESCRIPTION("A mutex example module showing initialization, usage, and cleanup");
MODULE_VERSION("0.1");

// 静态定义的mutex
static DEFINE_MUTEX(static_mutex);

// 动态分配的mutex
static struct mutex *dynamic_mutex;

// 共享资源
static int shared_resource = 0;

// 内核线程函数
static struct task_struct *thread1;
static struct task_struct *thread2;

// 使用静态mutex的线程工作函数
static int static_mutex_thread(void *data)
{
   
   
    int thread_id = *(int *)data;
    int i;
    
    for (i = 0; i < 3