Linux内核同步机制RT-mutex

Linux内核打上了PREEMPT_RT补丁之后支持完全可抢占，中断处理将线程化，线程化之后允许抢占和休眠，因此原本中断处理中使用的spinlock，实际上也将替换为使用rt_mutex。

互斥量加上了rt的前缀，主要是因为支持优先级继承，防止优先级翻转造成的高优先级任务等待时间的不确定性。优先级翻转可以通过下面这张图来理解。

图中3个进程的优先级A>B>C。假设低优先级的进程C和高优先级进程A竞争共享资源，而C先持有了lock，A只能阻塞等待C释放lock。假如A阻塞期间有更高优先级的进程B开始运行，并抢占了C，则A必须等B运行完将CPU还给C，C释放锁之后才能运行，这就不能保证高优先级的任务先获得CPU，如果抢占C的进程不光有B，还有B1、B2等，那A的运行时间将更不确定，而实时性最为关注的就是确定性。

rt_mutex通过优先级继承解决了优先级翻转的问题，说来也简单，也就是低优先级进程C在持有lock期间临时的继承了阻塞在这个lock上的最高优先级进程的优先级，保证不会被中间优先级的进程（例如上述例子的进程B）抢占，当lock被释放后最高优先级的进程得以运行。

rt_mutex的实现在内核的kernel/locking/rtmutex.c，主要涉及了下面三个数据类型：

• 在struct rt_mutex中记录了owner和所有的waiters（进程），使用红黑树实现，称为Mutex Waiter List，优先级最高的那一个叫top waiter。

• struct rt_mutex_waiter是用来链接rt_mutex和task_struct的数据结构，保存了waiter是哪个进程（task_struct）在等待哪个lock（rt_mutex）

• 在大名鼎鼎的struct task_struct中同样有一个waiters列表，使用红黑树实现，称为Task PI List列表中包含此进程持有所有rt_mutex的top waiter，称作top pi waiter。

有了这三种数据类型，就能组成PI chain，也就是优先级继承链，例如：

• E -> L4 -> D -> L3 -> C ->L2 -> B -> L1 -> A

这个Pi chain表示进程E在等L4（rt_mutex）的持有者D释放锁，而D又在等L3的持有者释放锁，以此类推，到A为终点，A是owner，不是waiter。这个Pi chain用刚提到的三个数据类型表示就变成下面这个样子。

假如进程E有最高优先级，当E加入到这个继承链时，将加入到L4的waiters中，并成为top waiter，由于L4的owner是D，D将更新waiters，E成为D进程的top pi waiter，为了避免发生优先级翻转，持有L4的D临时提升优先级与E相等。由于D的优先级提升，并且D是L3的waiter，这个优先级继承的动作将沿着继承链传播，直到最后一个进程A。这就是RT-mutex优先级继承的核心机制。

由于一个rt_mutex可以有多个waiter，同一个进程虽然只能是一个rt_mutex的waiter，但是可以持有多个rt_mutex，PI chain还有可以不少变化。

除了在完全可抢占时代替spinlock，rt_mutex还用在PI-futex，当用户态线程使用pthread_cond_broadcast时所有被唤醒的task也使用了rt_mutex保证所有线程按照优先级顺序依次唤醒。

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