linux同步策略

在 Linux 驱动层，由于多个进程或内核线程可能同时访问共享资源，必须使用同步机制来防止数据竞争和不一致性。同步机制的主要目的是保证多线程或多进程在并发访问共享资源时不发生冲突或数据损坏。Linux 提供了多种同步机制来应对不同的并发场景。

常见的 Linux 驱动层同步机制：#

1. 原子操作（Atomic Operations）#

原子操作是不可中断的基本操作，通常用于对简单的数据类型（如整数、位）执行操作，保证在多线程环境中，操作不会被中断或部分执行。

• 常见操作：atomic_inc()、atomic_dec()、atomic_set()、atomic_read() 等。
• 适用场景：用于对整数等简单变量进行简单的加减、置位操作。

示例：

atomic_t counter;
atomic_set(&counter, 0);
atomic_inc(&counter);

2. 自旋锁（Spinlock）#

自旋锁（Spinlock） 是一种忙等待的锁机制，当一个进程或线程试图获取自旋锁时，如果锁已被占用，进程会在原地持续“旋转”（自旋）等待，直到锁被释放。它不会进入休眠状态，因此适用于锁持有时间非常短的场景。

• 常见操作：spin_lock()、spin_unlock()。
• 适用场景：短时间的临界区保护，特别是中断处理程序中，或者在需要禁用抢占的场景下使用。

示例：

spinlock_t my_lock;
spin_lock_init(&my_lock);

spin_lock(&my_lock);
// 临界区代码
spin_unlock(&my_lock);

• 自旋锁与中断：在处理器中断上下文使用自旋锁时，需要确保禁用中断，防止中断期间重新尝试获取锁导致死锁。
  • spin_lock_irqsave()：在获取锁的同时禁用中断。
  • spin_unlock_irqrestore()：释放锁并恢复中断状态。

3. 信号量（Semaphore）#

信号量是一种计数器，用于控制对共享资源的访问。与自旋锁不同，信号量可以导致进程睡眠而不是忙等待，适用于较长时间的资源争用情况。信号量允许一定数量的进程/线程同时访问资源。

• 常见操作：down()、up()。
• 适用场景：当进程需要等待某个资源并可以进入休眠时（例如在 I/O 操作中）。

示例：

struct semaphore my_sem;
sema_init(&my_sem, 1);

down(&my_sem);  // 获取信号量（可能会进入睡眠）
/* 临界区 */
up(&my_sem);    // 释放信号量

4. 互斥量（Mutex）#

互斥量（Mutex） 是一个二值的信号量，保证同一时间只有一个线程或进程能够访问临界区。与信号量类似，互斥量也会导致线程睡眠，而不是忙等待。互斥量特别适合用于单一持有者场景，即同一时间只有一个线程/进程需要访问资源。

• 常见操作：mutex_lock()、mutex_unlock()。
• 适用场景：用于长时间持有的锁，尤其是资源访问可能会涉及睡眠操作时（例如等待 I/O 设备）。

示例：

struct mutex my_mutex;
mutex_init(&my_mutex);

mutex_lock(&my_mutex);
/* 临界区代码 */
mutex_unlock(&my_mutex);

5. 读写锁（Read-Write Lock）#

读写锁允许多个读取者同时获取锁，但在写操作时，只有一个写入者能够获取锁，并且阻塞所有读取操作。读写锁特别适合读多写少的场景。

• 常见操作：

  • rwlock_t 相关操作：read_lock()、read_unlock()、write_lock()、write_unlock()。

• 适用场景：多读少写的并发场景下，能够提高读取性能。

示例：

rwlock_t rw_lock;
rwlock_init(&rw_lock);

read_lock(&rw_lock);
// 读取临界区代码
read_unlock(&rw_lock);

write_lock(&rw_lock);
// 写入临界区代码
write_unlock(&rw_lock);

6. 完成量（Completion）#

完成量（Completion） 用于进程间同步，常见于等待某个事件完成后再继续执行。它允许一个进程等待另一个进程完成某个操作。

• 常见操作：init_completion()、wait_for_completion()、complete()。
• 适用场景：用于同步多个进程，确保某个任务或操作完成。

示例：

struct completion my_completion;
init_completion(&my_completion);

// 在其他地方调用
complete(&my_completion);  // 触发完成信号

// 等待完成信号
wait_for_completion(&my_completion);

7. 顺序锁（Seqlock）#

顺序锁（Seqlock） 适用于写少读多的场景。顺序锁通过一个计数器来保证数据一致性，允许读取操作不阻塞写入操作，但读取操作如果遇到写入，则必须重新读取。

• 常见操作：write_seqlock()、write_sequnlock()、read_seqbegin()、read_seqretry()。
• 适用场景：读多写少的场景，尤其是对性能要求较高的地方。

示例：

seqlock_t my_seqlock;
seqlock_init(&my_seqlock);

unsigned int seq;
do {
    seq = read_seqbegin(&my_seqlock);
    // 读取数据
} while (read_seqretry(&my_seqlock, seq));

8. RCU（Read-Copy-Update）#

RCU（Read-Copy-Update） 是一种高效的读写同步机制，允许在没有锁的情况下并发读取数据，写入数据时则会创建一个数据副本。写入操作的修改不会影响正在进行的读取操作，直到读者完成读取。

• 常见操作：

  • 读操作：rcu_read_lock()、rcu_read_unlock()。
  • 写操作：synchronize_rcu()、call_rcu()。

• 适用场景：适用于读写性能要求极高的场景，尤其是内核中某些对性能要求高的并发数据结构。

示例：

rcu_read_lock();
// 读取临界区代码
rcu_read_unlock();

// 在写入时同步
synchronize_rcu();

总结#

Linux 驱动开发中，选择合适的同步机制是确保并发场景下数据一致性和性能的关键。不同的同步机制适用于不同的场景：

• 原子操作：用于简单的整数和位操作。
• 自旋锁：用于短时间的锁，适合中断上下文。
• 信号量和互斥量：用于进程/线程之间长时间锁定资源，支持睡眠。
• 读写锁：多读少写场景下提高读性能。
• 完成量：用于同步操作的完成。
• 顺序锁：提高写少读多场景下的性能。
• RCU：在高并发场景中提供高效的读写操作。

根据实际需求选择合适的同步机制，可以有效提高驱动程序的性能和稳定性。