序言就像我們在操作系統裏學習的那樣，如果多個程序（進程或線程）同時訪問臨界區數據就會發生競爭。存在競爭條件的程序會產生不可預料的結果。消除競爭的方法一般就是同步的訪問臨界區數據（原子訪問）。Linux內核提供了多種技術用來實現內核同步操作。下面我們就分別介紹。內核同步技術Linux內核是多進程、多線程的操作系統，它提供了相當完整的內核同步方法。作爲一個總結，我們先列出內核同步方法列表，這樣我們可以從總體上對內核同步技術有個瞭解，然後我們這分別對每個同步技術做詳細介紹。
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同步技術 |
同步技術描述 |
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自旋鎖 |
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讀寫自旋鎖 |
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信號量 |
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讀寫信號量 |
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原子操作 |
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內存屏障 |
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完成變量 |
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大內核鎖 |
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seq鎖 |
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鎖機制是一種廣泛使用的同步技術，Linux內核中最常見的鎖就是自旋鎖（spin lock）。自旋鎖被設計工作在多個處理器上（SMP），它只能被一個CPU上的一個進程（線程）所持有。它也可以工作在支持搶佔的單處理器上。如果另一個進程或線程試圖獲取一個被持有的自旋鎖，那麼它就會在該鎖上自旋（循環的執行一小段代碼）直到該鎖被釋放。從這個意義上說，自旋鎖是忙等待的，這就會特別浪費處理器的時間，因此自旋鎖不應該被長時間持有。對於單處理器並且不可搶佔的內核來說，自旋鎖什麼也不作。
需要強調的是，自旋鎖別設計用於多處理器的同步機制，對於單處理器，內核在編譯時不會引入自旋鎖機制，對於可搶佔的內核，它僅僅被用於設置內核的搶佔機制是否開啓的一個開關，也就是說加鎖和解鎖實際變成了禁止或開啓內核搶佔功能。如果內核不支持搶佔，那麼自旋鎖根本就不會編譯到內核中。
內核中使用spinlock_t類型來表示自旋鎖，它定義在<linux/spinlock_types.h>：
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typedef struct {
raw_spinlock_t raw_lock;
#if defined(CONFIG_PREEMPT) && defined(CONFIG_SMP)
unsigned int break_lock;
#endif
} spinlock_t;
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對於不支持SMP的內核來說，struct raw_spinlock_t什麼也沒有，是一個空結構。對於支持多處理器的內核來說，struct raw_spinlock_t定義爲
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typedef struct {
unsigned int slock;
} raw_spinlock_t;
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slock表示了自旋鎖的狀態，“1”表示自旋鎖處於解鎖狀態（UNLOCK），“0”表示自旋鎖處於上鎖狀態（LOCKED）。
break_lock表示當前是否由進程在等待自旋鎖，顯然，它只有在支持搶佔的SMP內核上才起作用。
自旋鎖的實現是一個複雜的過程，說它複雜不是因爲需要多少代碼或邏輯來實現它，其實它的實現代碼很少。自旋鎖的實現跟體系結構關係密切，核心代碼基本也是由彙編語言寫成，與體協結構相關的核心代碼都放在相關的<asm/>目錄下，比如<asm/spinlock.h>。對於我們驅動程序開發人員來說，我們沒有必要了解這麼spinlock的內部細節，如果你對它感興趣，請參考閱讀Linux內核源代碼。對於我們驅動的spinlock接口，我們只需包括<linux/spinlock.h>頭文件。在我們詳細的介紹spinlock的API之前，我們先來看看自旋鎖的一個基本使用格式：
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#include <linux/spinlock.h>
spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
spin_lock(&lock);
....
spin_unlock(&lock);
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從使用上來說，spinlock的API還很簡單的，一般我們會用的的API如下表，其實它們都是定義在<linux/spinlock.h>中的宏接口，真正的實現在<asm/spinlock.h>中
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#include <linux/spinlock.h>
SPIN_LOCK_UNLOCKED
DEFINE_SPINLOCK
spin_lock_init( spinlock_t *)
spin_lock(spinlock_t *)
spin_unlock(spinlock_t *)
spin_lock_irq(spinlock_t *)
spin_unlock_irq(spinlock_t *)
spin_lock_irqsace(spinlock_t *，unsigned long flags)
spin_unlock_irqsace(spinlock_t *, unsigned long flags)
spin_trylock(spinlock_t *)
spin_is_locked(spinlock_t *)
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spinlock有兩種初始化形式，一種是靜態初始化，一種是動態初始化。對於靜態的spinlock對象，我們用 SPIN_LOCK_UNLOCKED來初始化，它是一個宏。當然，我們也可以把聲明spinlock和初始化它放在一起做，這就是 DEFINE_SPINLOCK宏的工作，因此，下面的兩行代碼是等價的。
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DEFINE_SPINLOCK (lock);
spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
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spin_lock_init 函數一般用來初始化動態創建的spinlock_t對象，它的參數是一個指向spinlock_t對象的指針。當然，它也可以初始化一個靜態的沒有初始化的spinlock_t對象。
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spinlock_t *lock
......
spin_lock_init(lock);
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內核提供了三個函數用於獲取一個自旋鎖。
spin_lock：獲取指定的自旋鎖。
spin_lock_irq：禁止本地中斷並獲取自旋鎖。
spin_lock_irqsace：保存本地中斷狀態，禁止本地中斷並獲取自旋鎖，返回本地中斷狀態。
自旋鎖是可以使用在中斷處理程序中的，這時需要使用具有關閉本地中斷功能的函數，我們推薦使用 spin_lock_irqsave，因爲它會保存加鎖前的中斷標誌，這樣就會正確恢復解鎖時的中斷標誌。如果spin_lock_irq在加鎖時中斷是關閉的，那麼在解鎖時就會錯誤的開啓中斷。
另外兩個同自旋鎖獲取相關的函數是：
spin_trylock()：嘗試獲取自旋鎖，如果獲取失敗則立即返回非0值，否則返回0。
spin_is_locked()：判斷指定的自旋鎖是否已經被獲取了。如果是則返回非0，否則，返回0。
同獲取鎖相對應，內核提供了三個相對的函數來釋放自旋鎖。
spin_unlock：釋放指定的自旋鎖。
spin_unlock_irq：釋放自旋鎖並激活本地中斷。
spin_unlock_irqsave：釋放自旋鎖，並恢復保存的本地中斷狀態。
如果臨界區保護的數據是可讀可寫的，那麼只要沒有寫操作，對於讀是可以支持併發操作的。對於這種只要求寫操作是互斥的需求，如果還是使用自旋鎖顯然是無法滿足這個要求（對於讀操作實在是太浪費了）。爲此內核提供了另一種鎖－讀寫自旋鎖，讀自旋鎖也叫共享自旋鎖，寫自旋鎖也叫排他自旋鎖。
讀寫自旋鎖的使用也普通自旋鎖的使用很類似，首先要初始化讀寫自旋鎖對象：
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// 靜態初始化
rwlock_t rwlock = RW_LOCK_UNLOCKED;
//動態初始化
rwlock_t *rwlock;
...
rw_lock_init(rwlock);
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在讀操作代碼裏對共享數據獲取讀自旋鎖：
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read_lock(&rwlock);
...
read_unlock(&rwlock);
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在寫操作代碼裏爲共享數據獲取寫自旋鎖：
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write_lock(&rwlock);
...
write_unlock(&rwlock);
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需要注意的是，如果有大量的寫操作，會使寫操作自旋在寫自旋鎖上而處於寫飢餓狀態（等待讀自旋鎖的全部釋放），因爲讀自旋鎖會自由的獲取讀自旋鎖。
讀寫自旋鎖的函數類似於普通自旋鎖，這裏就不一一介紹了，我們把它列在下面的表中。
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RW_LOCK_UNLOCKED
rw_lock_init(rwlock_t *)
read_lock(rwlock_t *)
read_unlock(rwlock_t *)
read_lock_irq(rwlock_t *)
read_unlock_irq(rwlock_t *)
read_lock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
read_unlock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
write_lock(rwlock_t *)
write_unlock(rwlock_t *)
write_lock_irq(rwlock_t *)
write_unlock_irq(rwlock_t *)
write_lock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
write_unlock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
rw_is_locked(rwlock_t *)
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信號量，或旗標，就是我們在操作系統裏學習的經典的P/V原語操作。
P：如果信號量值大於0，則遞減信號量的值，程序繼續執行，否則，睡眠等待信號量大於0。
V：遞增信號量的值，如果遞增的信號量的值大於0，則喚醒等待的進程。
信號量的值確定了同時可以有多少個進程可以同時進入臨界區，如果信號量的初始值始1，這信號量就是互斥信號量（MUTEX）。對於大於1的非0值信號量，也可稱爲計數信號量（counting semaphore）。對於一般的驅動程序使用的信號量都是互斥信號量。
類似於自旋鎖，信號量的實現也與體系結構密切相關，具體的實現定義在<asm/semaphore.h>頭文件中，對於x86_32系統來說，它的定義如下：
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struct semaphore {
atomic_t count;
int sleepers;
wait_queue_head_t wait;
};
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信號量的初始值count是atomic_t類型的，這是一個原子操作類型，它也是一個內核同步技術，可見信號量是基於原子操作的。我們會在後面原子操作部分對原子操作做詳細介紹。
信號量的使用類似於自旋鎖，包括創建、獲取和釋放。我們還是來先展示信號量的基本使用形式：
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static DECLARE_MUTEX(my_sem);
......
if (down_interruptible(&my_sem))
{
return -ERESTARTSYS;
}
......
up(&my_sem)
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Linux內核中的信號量函數接口如下：
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static DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name, count);
static DECLARE_MUTEX(name);
seam_init(struct semaphore *, int);
init_MUTEX(struct semaphore *);
init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *)
down_interruptible(struct semaphore *);
down(struct semaphore *)
down_trylock(struct semaphore *)
up(struct semaphore *)
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信號量的初始化包括靜態初始化和動態初始化。靜態初始化用於靜態的聲明並初始化信號量。
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static DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name, count);
static DECLARE_MUTEX(name);
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對於動態聲明或創建的信號量，可以使用如下函數進行初始化：
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seam_init(sem, count);
init_MUTEX(sem);
init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *)
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顯然，帶有MUTEX的函數始初始化互斥信號量。LOCKED則初始化信號量爲鎖狀態。
信號量初始化完成後我們就可以使用它了
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down_interruptible(struct semaphore *);
down(struct semaphore *)
down_trylock(struct semaphore *)
up(struct semaphore *)
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down函數會嘗試獲取指定的信號量，如果信號量已經被使用了，則進程進入不可中斷的睡眠狀態。down_interruptible則會使進程進入可中斷的睡眠狀態。關於進程狀態的詳細細節，我們在內核的進程管理裏在做詳細介紹。
down_trylock嘗試獲取信號量， 如果獲取成功則返回0，失敗則會立即返回非0。
當退出臨界區時使用up函數釋放信號量，如果信號量上的睡眠隊列不爲空，則喚醒其中一個等待進程。
類似於自旋鎖，信號量也有讀寫信號量。讀寫信號量API定義在<linux/rwsem.h>頭文件中，它的定義其實也是體系結構相關的，因此具體實現定義在<asm/rwsem.h>頭文件中，以下是x86的例子：
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struct rw_semaphore {
signed long count;
spinlock_t wait_lock;
struct list_head wait_list;
};
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首先要說明的是所有的讀寫信號量都是互斥信號量。讀鎖是共享鎖，就是同時允許多個讀進程持有該信號量，但寫鎖是獨佔鎖，同時只能有一個寫鎖持有該互斥信號量。顯然，寫鎖是排他的，包括排斥讀鎖。由於寫鎖是共享鎖，它允許多個讀進程持有該鎖，只要沒有進程持有寫鎖，它就始終會成功持有該鎖，因此這會造成寫進程寫飢餓狀態。
在使用讀寫信號量前先要初始化，就像你所想到的，它在使用上幾乎與讀寫自旋鎖一致。先來看看讀寫信號量的創建和初始化：
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// 靜態初始化
static DECLARE_RWSEM(rwsem_name);
// 動態初始化
static struct rw_semaphore rw_sem；
init_rwsem(&rw_sem);
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讀進程獲取信號量保護臨界區數據：
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down_read(&rw_sem);
...
up_read(&rw_sem);
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寫進程獲取信號量保護臨界區數據：
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down_write(&rw_sem);
...
up_write(&rw_sem);
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更多的讀寫信號量API請參考下表：
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#include <linux/rwsem.h>
DECLARE_RWSET(name);
init_rwsem(struct rw_semaphore *);
void down_read(struct rw_semaphore *sem);
void down_write(struct rw_semaphore *sem);
void up_read(struct rw_semaphore *sem);
int down_read_trylock(struct rw_semaphore *sem);
int down_write_trylock(struct rw_semaphore *sem);
void downgrade_write(struct rw_semaphore *sem);
void up_write(struct rw_semaphore *sem);
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同自旋鎖一樣，down_read_trylock和down_write_trylock會嘗試着獲取信號量，如果獲取成功則返回1，否則返回0。奇怪爲什麼返回值與信號量的對應函數相反，使用是一定要小心這點。
後記由於文本大小的限制，這裏只能介紹這些技術了。自旋鎖和信號量都是常用的內核技術，下面我們總結一下自旋鎖和信號量的特點，然後說明什麼時候使用自旋鎖，什麼時候使用信號量。
自旋鎖主要是應用於SMP（CONFIG_SMP）的系統上的，爲了能使代碼工作在非SMP系統上，請慎重選擇使用的自旋鎖函數。
信號量是睡眠的而自旋鎖是非睡眠的，因此在不能睡眠的條件下請使用自旋鎖（如中斷上下文）。如果持鎖期間需要睡眠請使用信號量
由於自旋鎖是忙等待，很浪費CPU時間，因此如果是短期持鎖可以使用自旋鎖。如果是長期持鎖請使用信號量。
