同步与互斥

abcooxj2025-10-01 9:26

一、汇编语言简单用法（ARM架构）

汇编是理解锁机制底层实现的基础，尤其在原子操作、硬件独占访问等场景中，需直接通过汇编指令与硬件交互。以下介绍ARM汇编的基础语法与实用场景。

1.1 汇编程序基本结构

一个完整的ARM汇编程序包含数据段 （存放初始化数据）、代码段 （存放执行指令）和全局标号（供外部调用的入口），格式如下：

asm 复制代码 
    .data               ; 数据段：定义初始化数据
var1: .word 10          ; 32位整数变量var1，值为10
var2: .word 20          ; 32位整数变量var2，值为20
res:  .word 0           ; 用于存放计算结果

    .text               ; 代码段：存放执行指令
    .global _start      ; 全局入口点，链接时需指定

_start:
    ; 核心逻辑：计算var1 + var2，结果存入res
    LDR R0, =var1       ; R0 = var1的内存地址
    LDR R1, [R0]        ; R1 = var1的值（10），从地址取值
    
    LDR R0, =var2       ; R0 = var2的内存地址
    LDR R2, [R0]        ; R2 = var2的值（20）
    
    ADD R3, R1, R2      ; R3 = R1 + R2（30）
    
    LDR R0, =res        ; R0 = res的内存地址
    STR R3, [R0]        ; 将R3的值（30）存入res地址
    
    ; Linux系统调用：程序退出（避免死循环）
    MOV R7, #1          ; 系统调用号1：exit
    SWI 0               ; 触发软中断，执行系统调用

1.2 汇编与C语言的交互

实际开发中很少使用纯汇编，更多是"汇编调用C"或"C调用汇编"，需遵循ARM架构的ATPCS调用约定：

  • 参数传递：前4个参数通过R0-R3传递，超过4个则压入栈
  • 返回值：通过R0寄存器返回
  • 函数调用：用BL指令（自动将返回地址存入LR寄存器）
  • 函数返回：用BX LR指令（跳回LR保存的地址）
场景1：汇编调用C函数

汇编文件（call_c.s）：负责传递参数并调用C函数

asm 复制代码 
    .text
    .global asm_call_add  ; 声明全局函数，供C调用
asm_call_add:
    MOV R0, #15          ; R0 = 第一个参数（15）
    MOV R1, #25          ; R1 = 第二个参数（25）
    BL c_add             ; 调用C函数c_add，返回地址存入LR
    BX LR                ; 返回到C的调用处，R0存返回值

C语言文件（main.c）：定义被调用的C函数并测试

c 复制代码 
#include <stdio.h>

// 声明汇编函数（告诉编译器：该函数在汇编中实现）
extern int asm_call_add(void);

// 被汇编调用的C函数：实现两数相加
int c_add(int a, int b) {
    return a + b;
}

int main() {
    int sum = asm_call_add();  // 调用汇编函数
    printf("15 + 25 = %d\n", sum);  // 输出40
    return 0;
}

编译与运行（需ARM交叉编译工具链）：

bash 复制代码 
# 汇编生成目标文件
arm-linux-gnueabihf-as call_c.s -o call_c.o
# 链接C文件与汇编目标文件，生成可执行程序
arm-linux-gnueabihf-gcc call_c.o main.c -o call_c
# 运行
./call_c
场景2：C语言调用汇编函数

汇编文件（asm_sub.s）：实现减法逻辑，供C调用

asm 复制代码 
    .text
    .global asm_sub  ; 声明全局函数，供C调用
asm_sub:
    SUB R0, R0, R1   ; R0 = 被减数（R0） - 减数（R1）
    BX LR            ; 返回，R0存结果

C语言文件（main.c）：调用汇编函数

c 复制代码 
#include <stdio.h>

// 声明汇编函数
extern int asm_sub(int a, int b);

int main() {
    int res = asm_sub(50, 18);  // 调用汇编实现的减法
    printf("50 - 18 = %d\n", res);  // 输出32
    return 0;
}

1.3 汇编调试：反汇编查看指令

通过反汇编可验证汇编指令的机器码长度（ARM模式4字节/Thumb模式2字节），命令如下：

bash 复制代码 
# 对可执行文件反汇编，输出到disasm.txt
arm-linux-gnueabihf-objdump -D call_c > disasm.txt

反汇编结果片段（ARM模式）：

复制代码 
000083b4 <asm_call_add>:
 83b4:	e3a0000f 	mov	r0, #15		; 0xf
 83b8:	e3a01019 	mov	r1, #25		; 0x19
 83bc:	eb000000 	bl	83c4 <c_add>
 83c0:	e12fff1e 	bx	lr

可见每条指令占4字节（如e3a0000f为4字节机器码），符合ARM模式特性。

二、内联汇编：C代码中嵌入汇编

在Linux内核锁机制（如原子操作）中，常通过GCC内联汇编直接操作硬件指令（如ARM的独占访问指令），其基本格式如下：

c 复制代码 
asm volatile (
    "汇编指令模板"  // 指令占位符%0、%1对应操作数列表
    : 输出操作数列表  // 汇编->C的变量（格式："约束"(变量名)）
    : 输入操作数列表  // C->汇编的变量（格式："约束"(变量名)）
    : 被修改的寄存器/内存  // 告诉编译器：这些资源被汇编修改，需重新加载
);

示例：用内联汇编实现原子自增

ARM架构中，原子自增需通过LDREX（独占加载）和STREX（独占存储）指令保证SMP安全，内联汇编实现如下：

c 复制代码 
// 原子变量结构体（内核定义）
typedef struct {
    volatile int counter;
} atomic_t;

// 原子自增函数（内联汇编实现）
static inline void atomic_inc(atomic_t *v) {
    asm volatile (
        "ldrex r0, [%0]\n"    // 独占加载：将v->counter加载到r0
        "add r0, r0, #1\n"    // 自增：r0 = r0 + 1
        "strex r1, r0, [%0]\n"// 独占存储：r0的值存回v->counter，结果存r1（0=成功）
        "cmp r1, #0\n"        // 检查存储是否成功
        "bne atomic_inc\n"    // 失败则重试（重新执行原子操作）
        :  // 无输出操作数
        : "r" (&v->counter)   // 输入操作数：%0 = v->counter的地址（"r"表示用寄存器传递）
        : "r0", "r1", "memory"// 被修改的资源：r0、r1寄存器，内存（避免编译器优化）
    );
}

三、原子操作实现

原子操作是所有锁机制的基础，保证"读取-修改-写入"过程不可分割，分为原子变量操作 和原子位操作。

3.1 原子变量实现

Linux内核中原子变量通过atomic_t结构体封装，核心操作依赖硬件原子指令：

c 复制代码 
// 1. 读取原子变量（单条指令，天然原子）
#define atomic_read(v) ((v)->counter)

// 2. 设置原子变量（单条指令，天然原子）
#define atomic_set(v, i) (((v)->counter) = (i))

// 3. 原子自增（SMP安全版本，依赖LDREX/STREX）
static inline void atomic_inc(atomic_t *v) {
    unsigned long tmp;
    asm volatile("@ atomic_inc\n"
    "1: ldrex   %0, [%1]\n"        // 独占加载v->counter到tmp（%0）
    "   add     %0, %0, #1\n"      // tmp = tmp + 1
    "   strex   %0, %0, [%1]\n"    // 独占存储tmp回v->counter，结果存tmp
    "   teq     %0, #0\n"          // 检查是否成功（tmp=0表示成功）
    "   bne     1b"                // 失败则跳回1处重试
    : "=&r" (tmp)                  // 输出操作数：%0 = tmp（"=&r"表示独占寄存器）
    : "r" (&v->counter)            // 输入操作数：%1 = v->counter的地址
    : "cc");                       // 被修改的状态寄存器（cc=条件码）
}

3.2 原子位操作

原子位操作直接操作内存中的单个比特位（如设备状态标志），核心是通过LDREX/STREX保证原子性：

c 复制代码 
// 设置指定地址的第nr位（置1）
static inline void set_bit(int nr, volatile unsigned long *addr) {
    unsigned long mask = 1UL << (nr % BITS_PER_LONG);  // 位掩码（BITS_PER_LONG=32/64）
    unsigned long *p = ((unsigned long *)addr) + (nr / BITS_PER_LONG);  // 目标字节地址
    
    asm volatile("@ set_bit\n"
    "1: ldrex   %0, [%2]\n"    // 独占加载p地址的值到mask（%0）
    "   orr     %0, %0, %1\n"  // 按位或：mask（%0） |= 位掩码（%1）
    "   strex   %0, %0, [%2]\n"// 独占存储结果回p地址
    "   teq     %0, #0\n"      // 检查是否成功
    "   bne     1b"            // 失败重试
    : "=&r" (mask)             // 输出操作数：%0 = mask
    : "r" (mask), "r" (p)      // 输入操作数：%1 = 位掩码，%2 = 目标地址p
    : "cc");                   // 条件码寄存器
}

四、自旋锁实现

自旋锁适用于短临界区（如中断上下文），当无法获取锁时，会循环"自旋"等待（不睡眠，避免上下文切换开销）。

4.1 自旋锁结构体

c 复制代码 
typedef struct {
    volatile unsigned int lock;  // 锁状态：0=未持有，1=已持有
#ifdef CONFIG_SMP
    unsigned int owner;          // SMP系统：记录持有锁的CPU（用于调试）
#endif
} spinlock_t;

4.2 核心实现代码

c 复制代码 
// 1. 初始化自旋锁
#define SPIN_LOCK_UNLOCKED { .lock = 0 }
#define spin_lock_init(lock) do { *(lock) = (spinlock_t)SPIN_LOCK_UNLOCKED; } while (0)

// 2. 获取自旋锁（SMP安全）
static inline void spin_lock(spinlock_t *lock) {
    unsigned long tmp;
    
    asm volatile("@ spin_lock\n"
    "1: ldrex   %0, [%1]\n"        // 独占加载锁状态到tmp（%0）
    "   teq     %0, #0\n"          // 检查锁是否未持有（tmp == 0）
    "   strexeq %0, %2, [%1]\n"    // 若未持有，尝试将1写入锁地址（%2=1）
    "   teqeq   %0, #0\n"          // 检查写入是否成功（tmp=0表示成功）
    "   bne     1b"                // 失败则跳回1处自旋重试
    : "=&r" (tmp)                  // 输出操作数：%0 = tmp
    : "r" (&lock->lock), "r" (1)   // 输入操作数：%1=锁地址，%2=1
    : "cc");                       // 条件码寄存器
}

// 3. 释放自旋锁
static inline void spin_unlock(spinlock_t *lock) {
    asm volatile("@ spin_unlock\n"
    "   str     %1, [%0]"          // 直接将0写入锁地址，释放锁（单条指令，原子）
    :  // 无输出操作数
    : "r" (&lock->lock), "r" (0)   // 输入操作数：%0=锁地址，%1=0
    : "cc");                       // 条件码寄存器
}

4.3 自旋锁在UP与SMP系统的差异

特性 UP系统（单CPU） SMP系统（多CPU）
核心问题 防止内核抢占（单CPU无跨核竞争） 防止跨核竞争 + 内核抢占
实现依赖 禁用抢占（preempt_disable()） 硬件原子指令（如ARM的LDREX/STREX）
锁状态判断 无需独占访问，直接检查lock变量 需通过独占指令保证"检查-修改"原子性
持有者记录 无需记录（单CPU只有一个执行流） 需记录owner（当前持有锁的CPU），用于调试

4.4 中断安全的自旋锁

中断上下文（如硬中断、Softirq）中使用自旋锁时，需禁用中断（避免中断打断自旋，导致死锁），内核提供封装函数：

c 复制代码 
// 保存中断状态并禁用中断，再获取自旋锁
static inline unsigned long spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock) {
    unsigned long flags;
    local_irq_save(flags);  // 保存中断状态到flags，禁用中断
    spin_lock(lock);        // 获取自旋锁
    return flags;
}

// 释放自旋锁，恢复中断状态
static inline void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags) {
    spin_unlock(lock);      // 释放自旋锁
    local_irq_restore(flags); // 恢复中断状态
}

五、信号量实现

信号量适用于长临界区 （如用户上下文），支持多个进程同时访问资源（通过count计数控制），无法获取锁时会睡眠（释放CPU）。

5.1 信号量结构体

c 复制代码 
struct semaphore {
    spinlock_t          lock;       // 保护信号量自身的自旋锁（避免并发修改count）
    unsigned int        count;      // 可用资源计数：>0表示有资源，=0表示无资源
    struct list_head    wait_list;  // 等待队列：存放因获取不到锁而睡眠的进程
};

5.2 核心实现代码

c 复制代码 
// 1. 初始化信号量（count=初始资源数）
static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val) {
    static struct lock_class_key __key;
    *sem = (struct semaphore) __SEMAPHORE_INITIALIZER(*sem, val);
    lockdep_init_map(&sem->lock.dep_map, "semaphore->lock", &__key, 0);
}

// 2. 获取信号量（P操作）：若count>0则减1，否则睡眠
void down(struct semaphore *sem) {
    unsigned long flags;
    // 先获取保护信号量的自旋锁（禁用中断，避免并发修改）
    spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
    if (sem->count > 0) {
        sem->count--;  // 有可用资源，直接获取（count减1）
        spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
    } else {
        // 无资源，将当前进程加入等待队列并睡眠
        __down(sem);
        spin_unlock_irq
        restore(&sem->lock, flags);
    }
}

// 3. 释放信号量（V操作）：count加1，唤醒等待队列中的进程
void up(struct semaphore *sem) {
    unsigned long flags;
    spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags);
    if (!list_empty(&sem->wait_list)) {
        // 等待队列非空，唤醒第一个睡眠进程
        __up(sem);
    }
    sem->count++;  // 释放资源，增加可用计数
    spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags);
}

5.3 down与up函数的实现细节

（1）down函数（获取信号量）
  1. 加自旋锁保护 ：通过spin_lock_irqsave获取信号量内部的自旋锁，防止多CPU/中断并发修改count和等待队列。
  2. 快速路径（有资源） ：若count > 0，直接将count减1，释放自旋锁后返回（无需睡眠，性能高）。
  3. 慢速路径（无资源） ：
    • 调用__down函数，将当前进程状态设为TASK_UNINTERRUPTIBLE（不可被信号唤醒）。
    • 把进程节点加入wait_list等待队列。
    • 释放自旋锁后调用schedule()，主动放弃CPU，进入睡眠状态。
    • 进程被唤醒后，会重新获取自旋锁，再次检查count（避免惊群效应）。
（2）up函数（释放信号量）
  1. 加自旋锁保护 ：同样通过spin_lock_irqsave保证操作原子性。
  2. 唤醒等待进程 ：若等待队列wait_list非空，调用__up函数从队列头部取出一个进程，将其状态设为TASK_RUNNING，加入运行队列等待调度。
  3. 更新资源计数 ：将count加1，释放自旋锁（此时若有新进程调用down，可直接获取资源）。
  4. __up () 函数会从等待队列中取出第一个进程，将其状态设置为 TASK_RUNNING
  5. 被唤醒的进程会被加入到运行队列，等待调度器调度

六、互斥量实现

互斥量是特殊的信号量 （count固定为1），保证同一时间只有一个进程访问资源，更贴合"独占访问"场景，且比信号量多了所有权、优先级继承等特性。

6.1 互斥量结构体

c 复制代码 
struct mutex {
    atomic_t		count;          // 锁状态：1=未锁定，0=已锁定
    spinlock_t		wait_lock;      // 保护等待队列的自旋锁
    struct list_head	wait_list;      // 等待队列（存放等待锁的进程）
#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
    struct thread_info	*owner;         // 持有锁的线程（调试用，防止非法释放）
    const char		*name;          // 锁名称（调试用）
    void			*magic;         // 魔术值（检测野指针）
#endif
};

6.2 核心实现代码

c 复制代码 
// 1. 初始化互斥量（count=1，未锁定状态）
#define mutex_init(mutex) \
do { \
    static struct lock_class_key __key; \
    __mutex_init((mutex), #mutex, &__key); \
} while (0)

// 2. 获取互斥锁：成功则count=0，失败则睡眠
void __sched mutex_lock(struct mutex *lock) {
    might_sleep();  // 提示编译器：此函数可能睡眠，不能在中断上下文调用
    
    // 快速路径：尝试直接获取锁（原子减1，若返回0表示成功）
    if (atomic_dec_if_positive(&lock->count) == 0)
        return;
    
    // 慢速路径：获取失败，加入等待队列睡眠
    __mutex_lock_slowpath(lock);
}

// 3. 释放互斥锁：count恢复为1，唤醒等待进程
void __sched mutex_unlock(struct mutex *lock) {
    // 快速路径：直接释放锁（原子加1，若返回1表示无等待进程）
    if (atomic_inc_return(&lock->count) == 1)
        return;
    
    // 慢速路径：有等待进程，唤醒队列中的第一个进程
    __mutex_unlock_slowpath(lock);
}

6.3 互斥锁相较于自旋锁、信号量的核心特点

对比维度 互斥锁（Mutex） 自旋锁（Spinlock） 信号量（Semaphore）
适用场景 用户上下文、长临界区 中断/软中断上下文、短临界区 用户上下文、长临界区（支持多进程共享）
资源竞争处理 睡眠（释放CPU） 自旋（占用CPU循环等待） 睡眠（释放CPU）
所有权 有（只有持有者能释放） 无（任意进程可释放，易误操作） 无（任意进程可释放）
优先级继承 支持（避免优先级反转） 不支持 不支持
递归加锁 禁止（同一线程多次加锁会死锁） 禁止（默认禁止，需特殊版本） 允许（count>1时）
调试支持 完善（检测死锁、非法释放） 基础（仅检测锁竞争） 基础（仅检测计数异常）

七、锁的使用场景：按上下文选择

不同内核上下文（用户态、中断、软中断等）对锁的要求不同，

  1. 用户上下文加锁：

    • 适用：信号量或互斥锁
    • 原因：用户态进程可以睡眠，使用睡眠锁可以提高CPU利用率

  2. 用户上下文与Softirqs之间加锁：

    • 适用：在访问临界资源前禁止Softirq
    • 方法：使用local_bh_disable()和local_bh_enable()
    • 原因：Softirq运行在中断上下文，不能睡眠，禁用Softirq可以避免竞争

  3. 用户上下文与Tasklet之间加锁：

    • 适用：结合自旋锁和local_bh_disable()
    • 原因：Tasklet基于Softirq实现，禁用Softirq可防止Tasklet在用户上下文访问资源时运行

  4. 用户上下文与Timer之间加锁：

    • 适用：自旋锁 + 禁用中断
    • 方法：使用spin_lock_irqsave()和spin_unlock_irqrestore()
    • 原因：Timer回调可能在中断上下文执行，需要禁用中断防止竞争

  5. Tasklet与Timer之间加锁：

    • 适用：自旋锁
    • 原因：两者都运行在软中断上下文，使用自旋锁可有效同步

  6. Softirq之间加锁：

    • 适用：自旋锁
    • 原因：Softirq可能在多个CPU上同时运行，需要自旋锁保证互斥

  7. 硬中断上下文：

    • 适用：自旋锁（必须禁用中断）
    • 方法：使用spin_lock_irq()或spin_lock_irqsave()
    • 原因：硬中断上下文不能睡眠，且需要防止中断嵌套导致的竞争

八、内核抢占

内核抢占是指高优先级进程可打断低优先级内核代码（仅当内核不处于临界区时），这是Linux实时性的关键机制，但需锁机制配合避免数据错乱：

  1. 抢占的触发时机：中断返回、系统调用返回、抢占计数清零时。
  2. 锁与抢占的关联 ：
    • 自旋锁：获取时自动将preempt_count（抢占计数）加1，禁用抢占；释放时减1，允许抢占（避免持有锁的进程被打断，导致其他进程自旋等待）。
    • 互斥锁/信号量：获取时会睡眠，主动放弃CPU，本身不影响抢占计数（但睡眠前会释放CPU，允许高优先级进程调度）。
  3. 临界区保护：只要进程持有锁（处于临界区），无论哪种锁，内核都不会允许抢占，确保临界区代码原子执行。

九、同步失败案例

  1. 非原子操作的竞争：

    c 复制代码 
    // 错误：判断-修改非原子，可能被进程切换/抢占打断
if (dev->is_open == 0) {
    dev->is_open = 1;  // 此处可能被抢占，导致多个进程同时打开设备
    return 0;
}
// 正确：用原子操作（如atomic_dec_and_test）
if (atomic_dec_and_test(&dev->open_count)) {
    return 0;
}

  2. 多CPU下关闭中断无效：

    c 复制代码 
    // 错误：单CPU有效，多CPU下其他核心仍可修改dev->is_open
local_irq_disable();
if (dev->is_open == 0) dev->is_open = 1;
local_irq_enable();
// 正确：用自旋锁（支持多CPU）
spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags);
if (dev->is_open == 0) dev->is_open = 1;
spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);

  3. 中断上下文用睡眠锁：

    c 复制代码 
    // 错误：中断上下文不能睡眠，mutex_lock会导致内核崩溃
void irq_handler(int irq, void *dev_id) {
    mutex_lock(&dev->lock);  // 致命错误！
}
// 正确：用自旋锁
void irq_handler(int irq, void *dev_id) {
    spin_lock_irqsave(&dev->lock, flags);
    // 临界区操作
    spin_unlock_irqrestore(&dev->lock, flags);
}

十、总结：锁机制选择指南

需求场景 优先选择的机制 核心考量
简单计数器/标志位（无等待） 原子操作（atomic_t） 无上下文切换开销，性能最高
中断/软中断上下文、短临界区 自旋锁 不能睡眠，且临界区短，自旋开销小于上下文切换开销
用户上下文、独占访问 互斥锁 支持所有权、优先级继承，避免误操作和优先级反转
用户上下文、多进程共享资源 信号量（count>1） 需控制访问进程数量，如"最多3个进程同时访问设备"
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