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Linux 内核同步管理全解：原理 + 实战 + 考点

news 2025/6/21 17:49:04

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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	否	简单计数/标志	状态标志、自增自减	`include/linux/atomic.h`
自旋锁	否	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	是	多资源管理	限制并发访问数	`include/linux/semaphore.h`
互斥锁	是	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

atomic_t count;
atomic_set(&count, 0);atomic_inc(&count);  // ++count
atomic_dec(&count);  // --countif (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

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

在这里插入图片描述

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✅ 中断安全版本：

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

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

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	否	是
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）：

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）：

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

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

static atomic_t count = ATOMIC_INIT(0);void do_work(void) {atomic_inc(&count);
}

✅ 或使用自旋锁

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）

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）

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。
原子变量需要加锁吗？
- 不需要，已具备原子性。
哪些锁不能用于中断？
- mutex、semaphore 会睡眠，不能用于中断处理。
RCU 为什么性能高？
- 读操作无锁，不阻塞任何线程，极高并发性。
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