网站建设买了服务器后怎么做,wordpress 友链插件,推广赚钱的项目,吴堡网站建设费用第三十九章 linux-并发解决方法二#xff08;互斥锁mutex#xff09; 文章目录第三十九章 linux-并发解决方法二#xff08;互斥锁mutex#xff09;互斥锁的定义与初始化互斥锁的DOWN操作互斥锁的UP操作用count1的信号量实现的互斥方法还不是Linux下经典的用法#xff0c;…第三十九章 linux-并发解决方法二互斥锁mutex 文章目录第三十九章 linux-并发解决方法二互斥锁mutex互斥锁的定义与初始化互斥锁的DOWN操作互斥锁的UP操作用count1的信号量实现的互斥方法还不是Linux下经典的用法Linux内核针对count1的信号量重新定义了一个新的数据结构一般都称其为互斥锁或者互斥体。同时内核根据使用场景的不同把用于信号量的DOWN和UP操作在struct mutex上作了优化与扩展专门用于这种新的数据类型。
互斥锁的定义与初始化
互斥锁mutex的概念本来就来自semaphore如果去除掉那些跟调试相关的成员struct mutex和struct semaphore并没有本质的不同
struct mutex {/* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */atomic_t count;spinlock_t wait_lock;struct list_head wait_list;
#if defined(CONFIG_DEBUG_MUTEXES) || defined(CONFIG_MUTEX_SPIN_ON_OWNER)struct task_struct *owner;
#endif
#ifdef CONFIG_MUTEX_SPIN_ON_OWNERstruct optimistic_spin_queue osq; /* Spinner MCS lock */
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXESvoid *magic;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOCstruct lockdep_map dep_map;
#endif
};如同struct semaphore一样对struct mutex的初始化不能直接通过操作其成员变量的方式进行而应该利用内核提供的宏或者函数定义一个静态的struct mutex变量同时初始化的方法是利用内核的DEFINE_MUTEX #define __MUTEX_INITIALIZER(lockname) \{ .count ATOMIC_INIT(1) \, .wait_lock __SPIN_LOCK_UNLOCKED(lockname.wait_lock) \, .wait_list LIST_HEAD_INIT(lockname.wait_list) \__DEBUG_MUTEX_INITIALIZER(lockname) \__DEP_MAP_MUTEX_INITIALIZER(lockname) }#define DEFINE_MUTEX(mutexname) \struct mutex mutexname __MUTEX_INITIALIZER(mutexname)如果在程序执行期间要初始化一个mutex变量则可以使用mutex_init宏。去除掉那些与调试相关的操作之后mutex_init宏可以展开成如下的函数定义形式
# define mutex_init(mutex) \
do { \static struct lock_class_key __key; \\__mutex_init((mutex), #mutex, __key); \
} while (0)void
__mutex_init(struct mutex *lock, const char *name, struct lock_class_key *key)
{atomic_set(lock-count, 1);spin_lock_init(lock-wait_lock);INIT_LIST_HEAD(lock-wait_list);mutex_clear_owner(lock);
#ifdef CONFIG_MUTEX_SPIN_ON_OWNERosq_lock_init(lock-osq);
#endifdebug_mutex_init(lock, name, key);
}互斥锁的DOWN操作
互斥锁mutex上的DOWN操作在Linux内核中为mutex_lock函数定义如下
void __sched mutex_lock(struct mutex *lock)
{might_sleep();/** The locking fastpath is the 1-0 transition from* unlocked into locked state.*/__mutex_fastpath_lock(lock-count, __mutex_lock_slowpath);mutex_set_owner(lock);
}函数的设计思想体现在__mutex_fastpath_lock和__mutex_lock_slowpath两条主线上__mutex_fastpath_lock用来快速判断当前可否获得互斥锁如果成功获得锁则函数直接返回否则进入到__mutex_lock_slowpath函数中·这种设计是基于这样一个事实想要获得某一互斥锁的代码绝大部分时候都可以成功获得。由此延伸开来在代码层面就是mutex_lock函数进入__mutex_lock_slowpath的概率很低。
__mutex_fastpath_lock是一平台相关函数下面以ARM处理器为例分析其代码实现
static inline void
__mutex_fastpath_lock(atomic_t *count, void (*fail_fn)(atomic_t *))
{int __done, __res;__asm__ __volatile__ (L1 movli.l %2, %0 \nadd #-1, %0 \nmovco.l %0, %2 \nmovt %1 \n: z (__res), r (__done): r ((count)-counter): t);if (unlikely(!__done || __res ! 0))fail_fn(count);
}函数在百处通过ldrex完成“__rescount-counterL2处完成__res__res-1L3处试图用__res的当前值来更新count-counter.这里说“试图”是因为这个更新的操作未必会成功主要是考虑到可能有别的进程也在操作count-counter为不使这种可能的竞争引起对 作count-counter值更新的混乱这里用了ARM指令中用于实现互斥访问的指令ldrex和strex前面在spinlock的代码分析时己经提过)。ldrex和strex保证了对count-counter读取一更新一写回”操作序列的原子性。如果L3处的更新操作成功那么_ex_flag将为0。
接下来在__res|__ex_flag执行完之后通过if语句判断__res是否为0有两种情况会导致__res不为0一是在调用这个函数前count-counter0表明互斥锁己经被别的进程获得 这样L2处的__res-1二是在L3处的更新操作不成功表明当前有另外一个进程也在对count-counter进行同样的操作·这两种情况都将导致__mutex_fastpath_lock不能直接返回而是进入fail_fn也就是调用__mutex_lock_slowpath。
此处if语句中的unlikely是利用GCC编译优化扩展的一个宏这里的意思是条件语句__res0为真的可能性很小编译器借此可以调整一些编译后代码的顺序达到某种程度的优化。与之对应的是likely。 如果__mutex_fastpath_lock函数不能在第一时间获得互斥锁返回那么将进入__mutex_lock_slowpath正如其名字所预示的那样代码将进入一段艰难坎坷的旅途。
在Linux源码中__mutex_lock_slowpath函数与信号量DOWN操作中的函数非常相似不过__mutex_lock_slowpath在把当前进程放入mutex的wait_list之前会试图多次询问mutex中的count是否为1也就是说当前进程在进入wait_list之前会多次考察别的进程是否己经释放了这个互斥锁。这主要基于这样一个事实拥有互斥锁的进程总是会在尽可能短的时间里释放·如果别的进程己经释放了该互斥锁·那么当前进程将可以获得该互斥锁而没有必要再去睡眠。
互斥锁的UP操作
互斥锁的操作为mutex_unlock函数定义如下
void __sched mutex_unlock(struct mutex *lock)
{/** The unlocking fastpath is the 0-1 transition from locked* into unlocked state:*/
#ifndef CONFIG_DEBUG_MUTEXES/** When debugging is enabled we must not clear the owner before time,* the slow path will always be taken, and that clears the owner field* after verifying that it was indeed current.*/mutex_clear_owner(lock);
#endif__mutex_fastpath_unlock(lock-count, __mutex_unlock_slowpath);
}和mutex_lock函数一样mutex_unlock函数也有两条主线__mutex_fastpath_unlock和__mutex_unlock_slowpath分别用于对互斥锁的快速和慢速解锁操作。
static inline void
__mutex_fastpath_unlock(atomic_t *count, void (*fail_fn)(atomic_t *))
{int __done, __res;__asm__ __volatile__ (movli.l %2, %0 \n\tadd #1, %0 \n\tmovco.l %0, %2 \n\tmovt %1 \n\t: z (__res), r (__done): r ((count)-counter): t);if (unlikely(!__done || __res 0))fail_fn(count);
}这里除了是将count-counter的值加1以外代码和__mutex_fastpath_lock中的几乎完全一样。在最后的if语句中导致代码count-counter不为0也有两种情况一是在调用这个函数前count-counter不为0表明在当前进程占有互斥锁期间有别的进程竞争该互斥锁二是对count-counter的更新操作不成功表明当前有另外一个进程也在对count-counter进行操作这种情况主要是针对别的进程此时调用mutex1k函数导致的竞争因为互斥的原因别的进程此时不可能调用mutex_lock。这种情况的处理是非常重要的不只是关系到count-counter正确更新的问题还涉及能否防止一个唤醒操作的丢失。
在没有别的进程竞争该互斥锁的情况下__mutex_fastpath_unlock函数要完成的工作最简单把count-counter的值加1然后返回·如果有别的进程在竞争该互斥锁那么函数进入__mutex_unlock_slowpath这个函数主要用来唤醒在当前mutex的wait_list中休眠的进程如同up函数一样。
