Linux内核互斥锁的实现方式

我是海贼wang路飞啊

已于 2023-03-19 16:30:45 修改

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文章标签： linux c++

于 2023-03-19 16:23:51 首次发布

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_41598937/article/details/129652105

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文章详细介绍了Linux内核中互斥锁的实现，包括自旋锁和睡眠锁的差异。自旋锁是一种忙等策略，当锁被占用时，会持续检查直至获得锁。互斥锁则在无法获取时，线程会进入睡眠状态。文章深入探讨了互斥锁的数据结构、加锁和解锁的函数接口，以及阻塞和唤醒的具体实现过程，展示了如何使用自旋锁保护等待队列并管理锁的状态。

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自旋锁

自旋锁是一个忙等锁，如果获取不到锁就会一直等待。
如下为忙等锁的实现方式，使用了一个原子变量（原子操作的实现和硬件有关）来实现：

#include <atomic>

class SpinLock {
   
private:
    std::atomic_flag flag;

public:
    SpinLock() : flag(ATOMIC_FLAG_INIT) {
   }

    void lock() {
   
        while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire)) {
   
            // 自旋等待锁释放
        }
    }

    void unlock() {
   
        flag.clear(std::memory_order_release);
    }
};

互斥锁

互斥锁是一个睡眠锁，获取不到则线程就会睡眠引起任务调度，互斥锁可以使用信号量实现也可以用自旋锁来实现，下面将会对用自旋锁实现互斥量的方式展开讲。

1.互斥锁的数据结构

struct mutex {
   
   atomic_t  count; //引用计数器,1: 所可以利用,小于等于0：该锁已被获取，需要等待
   spinlock_t  wait_lock;//自旋锁类型，保证多cpu下，对等待队列访问是安全的。
   struct list_head wait_list; //等待队列，如果该锁被获取，任务将挂在此队列上，等待调度。
};

如上所示，互斥锁的数据结构主要有三个变量构成:

count:用来记录目前锁的状态 1: 所可以利用,小于等于0：该锁已被获取，需要等待。
wait_lock：自旋锁，操作等待队列的时候会使用自旋锁将等待队列保护起来。
wait_list：因为获取不到这个锁而阻塞的进程。

2.加锁函数接口

void inline __sched mutex_lock(struct mutex *lock)

实际上是调用了一个宏：

__mutex_fastpath_lock(&lock->count, __mutex_lock_slowpath);

宏的定义：将mutex数据结构中，引用计数器减1，如果不为负数就返回，如果为负数，需要调用函数：__mutex_lock_slowpath，接下来我们再来分析这个函数，我们先来分析一下这个宏。

#define __mutex_fastpath_lock(count, fail_fn)  
do {
           
   unsigned int dummy;/    
   ; 检查参数类型的有效性
   typecheck(atomic_t *, count);  /  
   typecheck_fn(void (*)(atomic_t *), fail_fn