Linux 内核同步管理全解:原理 + 实战 + 考点


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一、为什么需要同步机制?

Linux 是一个支持 多核并发 + 抢占式调度 的操作系统,多个内核线程可能同时访问同一份内存区域,例如:驱动共享某个全局变量、文件系统缓存读写、网络缓冲区处理等等。

如果没有同步机制,就会产生竞态条件(Race Condition),导致数据错乱、内核崩溃甚至安全漏洞。

因此,Linux 内核实现了一整套高效的同步机制,用来协调不同 CPU、不同执行上下文之间对共享资源的访问。


二、Linux 中的主要同步机制

同步机制 是否可睡眠 适用场景 常见用法 内核位置
原子变量 简单计数/标志 状态标志、自增自减 include/linux/atomic.h
自旋锁 中断处理、短临界区 硬件寄存器、短时间保护 include/linux/spinlock.h
信号量 多资源管理 限制并发访问数 include/linux/semaphore.h
互斥锁 临界区保护 普通数据结构保护 include/linux/mutex.h
RCU 部分读者无锁 读多写少的表结构 任务列表、网络表项 kernel/rcu/

三、五种同步机制逐一讲解

3.1 原子变量

✅ 场景:状态标志、自增计数器
c 复制代码
atomic_t count;
atomic_set(&count, 0);

atomic_inc(&count);  // ++count
atomic_dec(&count);  // --count

if (atomic_read(&count) == 0) {
    // 说明资源清空或条件满足
}
  • 原子变量适合简短逻辑,如计数器、标志位。
  • 不适合保护复杂数据结构。
✅ 面试考点:
  • 原子变量是否需要锁?→ 否。
  • 原子操作能否用于中断上下文?→ 可以。

3.2 自旋锁(Spinlock)

✅ 场景:短时间保护、中断上下文
c 复制代码
spinlock_t my_lock;
spin_lock_init(&my_lock);

spin_lock(&my_lock);
/* 访问共享资源 */
spin_unlock(&my_lock);

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✅ 中断安全版本:
c 复制代码
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&my_lock, flags);
/* 临界区 */
spin_unlock_irqrestore(&my_lock, flags);
✅ 特点:
  • 获取不到锁会 原地忙等(自旋),适合快速操作;
  • 不可用于睡眠上下文,否则死锁;
  • 常用于中断处理函数、底半部等高优先级逻辑。
✅ 面试考点:
  • spin_lock 与 mutex 有什么区别?
  • 中断上下文是否可以使用 mutex?→ 否。

3.3 信号量(Semaphore)

✅ 场景:控制多个线程对有限资源访问
c 复制代码
struct semaphore sem;
sema_init(&sem, 3);  // 最多允许3个并发

/* 请求资源 */
down(&sem);  // 若资源不足,将睡眠

/* 使用资源 */

/* 释放资源 */
up(&sem);
  • 适合表示资源池,如"3台打印机"、"10个缓存槽位";
  • 已逐渐被 mutex 替代。
✅ 面试考点:
  • down()/up() 会阻塞线程吗?→ 是。
  • 信号量适合中断中使用吗?→ 否(会睡眠)。

3.4 互斥锁(Mutex)

✅ 场景:线程间对共享数据的互斥访问
c 复制代码
struct mutex my_mutex;
mutex_init(&my_mutex);

mutex_lock(&my_mutex);
/* 临界区代码 */
mutex_unlock(&my_mutex);
  • 获取不到锁会让当前线程 挂起等待,资源释放后再调度回来;
  • 不适合中断处理。
✅ 特点对比:
比较项 spinlock mutex
可否睡眠
场景 中断/底半部 普通线程
获取失败 自旋等待 睡眠等待
✅ 面试考点:
  • mutex 和 semaphore 区别?→ semaphore 是计数,mutex 仅一人。

3.5 RCU(Read-Copy-Update)

✅ 场景:读多写少,如任务列表、网络表项
读操作(不加锁):
c 复制代码
rcu_read_lock();
my_ptr = rcu_dereference(global_ptr);
/* 安全读取数据 */
rcu_read_unlock();
写操作(复制更新):
c 复制代码
new_ptr = kmalloc(...);
/* 修改副本 */
rcu_assign_pointer(global_ptr, new_ptr);
synchronize_rcu();
/* 释放旧数据 */
kfree(old_ptr);
✅ 特点:
  • 读性能极高,不加锁;
  • 写复杂,需注意数据生命周期;
  • 常用于链表、哈希表等结构。
✅ 面试考点:
  • RCU 是否支持多读多写?→ 多读 + 单写 + 延迟销毁。
  • RCU 与普通锁最大区别?→ 读时不阻塞。

四、实战示例:共享计数器保护

❌ 错误示例:未加锁

c 复制代码
static int count = 0;

void do_work(void) {
    count++;  // 多线程访问存在竞态!
}

✅ 正确方式:使用原子变量

c 复制代码
static atomic_t count = ATOMIC_INIT(0);

void do_work(void) {
    atomic_inc(&count);
}

✅ 或使用自旋锁

c 复制代码
static int count = 0;
static spinlock_t lock;

void do_work(void) {
    spin_lock(&lock);
    count++;
    spin_unlock(&lock);
}

✅ 或使用 mutex(若可睡眠)

c 复制代码
static int count = 0;
static struct mutex my_mutex;

void do_work(void) {
    mutex_lock(&my_mutex);
    count++;
    mutex_unlock(&my_mutex);
}

五、面试常见问题汇总(含答案)

  1. spinlock 和 mutex 有何区别?

    • spinlock 不可睡眠、适用于中断上下文;mutex 会睡眠、适合线程间同步。
  2. 原子变量需要加锁吗?

    • 不需要,已具备原子性。
  3. 哪些锁不能用于中断?

    • mutex、semaphore 会睡眠,不能用于中断处理。
  4. RCU 为什么性能高?

    • 读操作无锁,不阻塞任何线程,极高并发性。
  5. 如何避免死锁?

    • 保持锁获取顺序一致;禁止在持锁时调用睡眠函数(如 mutex + msleep());中断上下文避免调用可睡眠接口。

六、小结:如何选用同步机制?

场景 建议同步方式
标志位、计数器 原子变量
中断处理、底半部 自旋锁
用户进程临界区 互斥锁 mutex
限制访问数量(N个资源) 信号量 semaphore
读多写少表结构 RCU

七、结束语

Linux 内核的同步机制是驱动开发和内核编程中的"必修课",掌握好它不仅能写出正确的代码,更是迈入高级内核开发的关键一步。

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