linux有幾種鎖機制

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linux鎖的種類：1、mutex（互斥鎖），用于保證在任何時刻，都只能有一個線程訪問該對象；2、rwlock（讀寫鎖），分為讀鎖和寫鎖，適用于讀取數據的頻率遠遠大于寫數據的頻率的場合；3、spinlock（自旋鎖），在任何時刻同樣只能有一個線程訪問對象；4、seqlock（順序鎖），用于能夠區分讀與寫的場合，并且是讀操作很多、寫操作很少，寫操作的優先權大于讀操作。

本教程操作環境：linux7.3系統、Dell G3電腦。

Linux的幾種鎖機制

互斥鎖：mutex

??互斥鎖：mutex，用于保證在任何時刻，都只能有一個線程訪問該對象。當獲取鎖操作失敗時，線程會進入睡眠，等待鎖釋放時被喚醒。

讀寫鎖：rwlock

??讀寫鎖：rwlock，分為讀鎖和寫鎖。處于讀操作時，可以允許多個線程同時獲得讀操作。但是同一時刻只能有一個線程可以獲得寫鎖。其它獲取寫鎖失敗的線程都會進入睡眠狀態，直到寫鎖釋放時被喚醒。

注意：寫鎖會阻塞其它讀寫鎖。當有一個線程獲得寫鎖在寫時，讀鎖也不能被其它線程獲取；寫者優先于讀者（一旦有寫者，則后續讀者必須等待，喚醒時優先考慮寫者）。

• 適用于讀取數據的頻率遠遠大于寫數據的頻率的場合。

自旋鎖：spinlock

??自旋鎖：spinlock，在任何時刻同樣只能有一個線程訪問對象。但是當獲取鎖操作失敗時，不會進入睡眠，而是會在原地自旋，直到鎖被釋放。這樣節省了線程從睡眠狀態到被喚醒期間的消耗，在加鎖時間短暫的環境下會極大的提高效率。但如果加鎖時間過長，則會非常浪費CPU資源。

RCU

??RCU：即read-copy-update，在修改數據時，首先需要讀取數據，然后生成一個副本，對副本進行修改。修改完成后，再將老數據update成新的數據。

使用RCU時，讀者幾乎不需要同步開銷，既不需要獲得鎖，也不使用原子指令，不會導致鎖競爭，因此就不用考慮死鎖問題了。而對于寫者的同步開銷較大，它需要復制被修改的數據，還必須使用鎖機制同步并行其它寫者的修改操作。在有大量讀操作，少量寫操作的情況下效率非常高。

信號量：semaphore

linux內核的信號量在概念和原理上與用戶態的SystemV的IPC機制信號量是一樣的，但是它絕不可能在內核之外使用，因此它與SystemV的IPC機制信號量毫不相干。

信號量在創建時需要設置一個初始值，表示同時可以有幾個任務可以訪問該信號量保護的共享資源，初始值為1就變成互斥鎖（Mutex），即同時只能有一個任務可以訪問信號量保護的共享資源。一個任務要想訪問共享資源，首先必須得到信號量，獲取信號量的操作將把信號量的值減1，若當前信號量的值為負數，表明無法獲得信號量，該任務必須掛起在該信號量的等待隊列等待該信號量可用；若當前信號量的值為非負數，表示可以獲得信號量，因而可以立刻訪問被該信號量保護的共享資源。當任務訪問完被信號量保護的共享資源后，必須釋放信號量，釋放信號量通過把信號量的值加1實現，如果信號量的值為非正數，表明有任務等待當前信號量，因此它也喚醒所有等待該信號量的任務。

rw_semaphore （讀寫信號量）

讀寫信號量對訪問者進行了細分，或者為讀者，或者為寫者，讀者在保持讀寫信號量期間只能對該讀寫信號量保護的共享資源進行讀訪問，如果一個任務除了需要讀，可能還需要寫，那么它必須被歸類為寫者，它在對共享資源訪問之前必須先獲得寫者身份，寫者在發現自己不需要寫訪問的情況下可以降級為讀者。讀寫信號量同時擁有的讀者數不受限制，也就說可以有任意多個讀者同時擁有一個讀寫信號量。如果一個讀寫信號量當前沒有被寫者擁有并且也沒有寫者等待讀者釋放信號量，那么任何讀者都可以成功獲得該讀寫信號量；否則，讀者必須被掛起直到寫者釋放該信號量。如果一個讀寫信號量當前沒有被讀者或寫者擁有并且也沒有寫者等待該信號量，那么一個寫者可以成功獲得該讀寫信號量，否則寫者將被掛起，直到沒有任何訪問者。因此，寫者是排他性的，獨占性的。
讀寫信號量有兩種實現，一種是通用的，不依賴于硬件架構，因此，增加新的架構不需要重新實現它，但缺點是性能低，獲得和釋放讀寫信號量的開銷大；另一種是架構相關的，因此性能高，獲取和釋放讀寫信號量的開銷小，但增加新的架構需要重新實現。在內核配置時，可以通過選項去控制使用哪一種實現。

讀寫信號量：rw_semaphore

讀寫信號量對訪問者進行了細分，或者為讀者，或者為寫者，讀者在保持讀寫信號量期間只能對該讀寫信號量保護的共享資源進行讀訪問，如果一個任務除了需要讀，可能還需要寫，那么它必須被歸類為寫者，它在對共享資源訪問之前必須先獲得寫者身份，寫者在發現自己不需要寫訪問的情況下可以降級為讀者。讀寫信號量同時擁有的讀者數不受限制，也就說可以有任意多個讀者同時擁有一個讀寫信號量。如果一個讀寫信號量當前沒有被寫者擁有并且也沒有寫者等待讀者釋放信號量，那么任何讀者都可以成功獲得該讀寫信號量；否則，讀者必須被掛起直到寫者釋放該信號量。如果一個讀寫信號量當前沒有被讀者或寫者擁有并且也沒有寫者等待該信號量，那么一個寫者可以成功獲得該讀寫信號量，否則寫者將被掛起，直到沒有任何訪問者。因此，寫者是排他性的，獨占性的。

讀寫信號量有兩種實現，一種是通用的，不依賴于硬件架構，因此，增加新的架構不需要重新實現它，但缺點是性能低，獲得和釋放讀寫信號量的開銷大；另一種是架構相關的，因此性能高，獲取和釋放讀寫信號量的開銷小，但增加新的架構需要重新實現。在內核配置時，可以通過選項去控制使用哪一種實現。

seqlock****（順序鎖）

用于能夠區分讀與寫的場合，并且是讀操作很多、寫操作很少，寫操作的優先權大于讀操作。seqlock的實現思路是，用一個遞增的整型數表示sequence。寫操作進入臨界區時，sequence++；退出臨界區時，sequence再++。

寫操作還需要獲得一個鎖（比如mutex），這個鎖僅用于寫寫互斥，以保證同一時間最多只有一個正在進行的寫操作。當sequence為奇數時，表示有寫操作正在進行，這時讀操作要進入臨界區需要等待，直到sequence變為偶數。讀操作進入臨界區時，需要記錄下當前sequence的值，等它退出臨界區的時候用記錄的sequence與當前sequence做比較，不相等則表示在讀操作進入臨界區期間發生了寫操作，這時候讀操作讀到的東西是無效的，需要返回重試。

seqlock寫寫是必須要互斥的。但是seqlock的應用場景本身就是讀多寫少的情況，寫沖突的概率是很低的。所以這里的寫寫互斥基本上不會有什么性能損失。而讀寫操作是不需要互斥的。seqlock的應用場景是寫操作優先于讀操作，對于寫操作來說，幾乎是沒有阻塞的（除非發生寫寫沖突這一小概率事件），只需要做sequence++這一附加動作。而讀操作也不需要阻塞，只是當發現讀寫沖突時需要retry。seqlock的一個典型應用是時鐘的更新，系統中每1毫秒會有一個時鐘中斷，相應的中斷處理程序會更新時鐘（寫操作）。

而用戶程序可以調用gettimeofday之類的系統調用來獲取當前時間（讀操作）。在這種情況下，使用seqlock可以避免過多的gettimeofday系統調用把中斷處理程序給阻塞了（如果使用讀寫鎖，而不用seqlock的話就會這樣）。中斷處理程序總是優先的，而如果gettimeofday系統調用與之沖突了，那用戶程序多等等也無妨。

互斥鎖和讀寫鎖的區別：

1）讀寫鎖區分讀者和寫者，而互斥鎖不區分

2）互斥鎖同一時間只允許一個線程訪問該對象，無論讀寫；讀寫鎖同一時間內只允許一個寫者，但是允許多個讀者同時讀對象。

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