内核同步

为什么需要内核同步

内核在随时响应各种中断、异常、内核抢占、进程睡眠等事件，所以内核并不是严格的按照顺序执行的，而是采用交错的方式。交错执行意味着对资源有竞争，譬如进程A正在使用资源1的时候，因为发生某些事件导致程序切换到进程B执行，进行B也需要使用资源1，这时候进程A、B就同时竞争资源1。若没有同步机制，进程B等待进程A对资源1的释放，那么进程B将会改写资源1的数据，再切回进程A时，资源1就不是进程A想要的值了。这里同时体现了互斥性，也就是说进程A在访问资源1还没有释放的时候，进程B不能访问，只能等待起，当进程A访问完成之后，释放资源，同时告诉了进程B可以访问资源1了,同步了可以访问资源1的信息。

内核中使用的各种同步技术

每CPU变量（per-cpu var）

在CPU之间复制数据，每个CPU都维护一份属于自己的数据。

原子操作

读-修改-写 linux使用atomic_t来修饰原子操作

内存屏障

避免指令重新排布,保证了语句的串行性，优化屏障使用barrier()宏定义。

自旋锁

加锁时忙等；很多内核资源只锁比较短的时间，这样自旋锁的效率就会变得更高些；因为睡眠引起的进程切换效率更低。释放CPU之后，不知道多久才能再次获得CPU。自旋锁所保护的临界区（得到锁之后和释放锁之前的代码）是禁止内核抢占的，因为假如得到自旋锁的临界区被抢占调度走，切换到其他进程也需要这个锁时CPU就会忙等，然后又等不到锁，就会导致死锁；所以自旋锁在使用时候，要注意在临界区不能发生进程调度，典型的应用例子就是不能调用sleep睡眠函数。

读写自旋锁

读写自旋锁可以将读写获取锁的动作分开，一个CPU得到读锁时，另一个CPU也要读时，是被允许的，但是不允许写，想得到写锁是得不到的。这样能提高并发读的能力。读写锁是不是只对多核CPU有效？因为单核CPU时，读写锁保护的临界区是禁止内核抢占的，这样其他进程也得不到调度，那自然是不会再去获取读锁的吧？《深入理解Linux内核》给了答案：在单处理器系统上，这种锁本身起不到锁的作用，自旋锁原语仅仅是开启或者禁止内核抢占。不仅读写锁，所有自旋锁都是这样。

顺序锁

基于访问计数器的锁，同样是由自旋锁演变而来;为了提高写的并发能力而演变出来的锁，但是读的效率会变低，因为读的时候可以进行写，那么为了读到正确的值,需要进行多次读，读到的值是一样的才算读到正确的值；具体的实现，引用了访问的计数器变量，写的时候会修改这个计数器，当前后读到这个计数器的不一致时，就知道这个值被修改过了，需要继续读，才能读到正确的数据。

读-拷贝-更新（RCU）

通过指针而不是锁来访问共享数据结构；允许多进程同时读，读的时候也允许写，写时先拷贝一份，然后进行修改，修改完之后，确认没有进程在读时，通过修改指针使得刚刚修改的数据生效。RCU保护的临界区不能发生睡眠。

信号量

得不到锁时睡眠等待，进程被切走。

本地中断的禁止

主要针对单核CPU系统，单核CPU任务调度主要依赖于中断触发，当中断被禁止之后，那么此时系统就是串行运行的，自然就具有保护临界区的属性。

应用场景

自旋锁适用于保护比较短的临界区，假如保护的临界区比较长的情况下，产生竞争时，拿不到锁的CPU会自旋忙等的时间比较长，导致资源的浪费，降低性能。

信号量不能在中断服务函数中使用，因为信号量获取不到会引起睡眠，所以一般中断服务函数中都会使用自旋锁，或者不阻塞的信号量（得不到信号量不睡眠而是直接返回）

为什么中断上下文不能睡眠？

睡眠是进程来的一种状态，进程中使用task_struct结构体来记录这个状态，因为中断上下文不是一个进程，不存在task_struct，所以它是不可调度的。所以，在中断上下文就不能睡眠

参考书籍《深入理解linux内核》