linux線程的並發

A. 在linux系統中使用Shell實現多線程運行任務（多任務並發執行） 2022-05-30

最近，有一批任務需要把兩批的fastq合並到一起並壓縮成一個fastq文件才能繼續往下做，由於存儲空間有限又不能直接全部跑上，只能按樣本逐個分批跑。眾所周知，一般fastq是成對存在的，所需要對read1和read2分別合並一次，然而這次任務的fastq文件比較大，合並然後壓縮一次需要1天左右，那對於一組fastq就要2-3天，這也太耗時間了，所以我在想能不能read1和read2 同時跑上，這就可以節省一半的時間了。

平時也能遇到很多類似的任務，特別是在進程數有限的情況下，如果這些小任務單獨佔用一個進程，而任務很多就很耗時間，如果能在一個進程下實現多個線程並行執行，就能大大提高運行效率。關於進程和線程的知識可以參考知乎的這篇文章【 Shell「 多線程」，提高工作效率 】，整理的也比較有條理，能比較容易讀懂。

當然，某些博主也寫過類似的文章，例如這篇【 shell後台限制多並發控制後台任務強度進行文件拷貝 】但是實在是太高深莫測了，看不懂，一時半會兒也學不會。本文將示例Shell實現多線程的簡單版本，其實不用太復雜。

其實只需要兩個步驟， 第一步是給需要並行運行的命令行在結尾加上"&"，代表放到後台運行，第二步是在在所有並行任務的後面加上一句「wait」，意思是等所有通過「&」放到後台運行的任務跑完後再繼續執行後面的任務 ，這些就能實現所有帶有「&」的行並行執行了。

看完腳本是不是覺得很簡單？

上面的腳本適合並行任務少的，可以手動加&和wait，但是如果有幾十個甚至上百個的小任務就比較麻煩了。但不用擔心，可以寫個循環，批量運行。

循環的結果也是跟上面類似的，只是多了個循環結構。

如果需要執行的任務只有一行，可以把大括弧去掉。

關於for和while的循環可以查看之前的文章【 Shell常用循環示例（for和while批量處理）2022-05-25 】

需要注意的是多線程並行還是需要有限制的，畢竟都是在一個進程里運行，如果線程太多了會卡頓的，建議控制在100個以內，當然還有畢竟高級和復雜的方法可以實現限制。因為上面的腳本已經夠我用了，沒繼續往下學，以後可以再補充。

B. Linux線程及同步

linux多線程
1.線程概述
線程是一個進程內的基本調度單位，也可以稱為輕量級進程。線程是在共享內存空間中並發的多道執行路徑，它們共享一個進程的資源，如文件描述和信號處理。因此，大大減少了上下文切換的開銷。一個進程可以有多個線程，也就
是有多個線程式控制製表及堆棧寄存器，但卻共享一個用戶地址空間。
2.線程實現
線程創建pthread_create()
所需頭文件#include
<pthread.h>
函數原型int
pthread_create
((pthread_t
*thread,
pthread_attr_t
*attr,
thread：線程標識符
attr：線程屬性設置
start_routine：線程函數的起始地址
arg：傳遞給start_routine的參數
函數返回值
成功：0
出錯：-1
線程退出pthread_exit();
所需頭文件#include
<pthread.h>
函數原型void
pthread_exit(void
*retval)
函數傳入值retval:pthread_exit()調用者線程的返回值，可由其他函數如pthread_join
來檢索獲取
等待線程退出並釋放資源pthread_join()
所需頭文件#include
<pthread.h>
函數原型int
pthread_join
((pthread_t
th,
void
**thread_return))
函數傳入值
th：等待線程的標識符
thread_return：用戶定義的指針，用來存儲被等待線程的返回值（不為NULL時）
函數返回值
成功：0
出錯：-1
代碼舉例
1.
#include<pthread.h>
2.
#include<stdio.h>
3.
#include<errno.h>
4.
5.
/*線程1*/
6.
void
thread1()
7.
{
8.
int
i=0;
9.
10.
while(1)
11.
{
12.
printf(thread1:%d/n,i);
13.
if(i>3)
14.
pthread_exit(0);
15.
i++;
16.
sleep(1);
17.
}
18.
}
19.
20.
/*線程2*/
21.
void
thread2()
22.
{
23.
int
i=0;
24.
25.
while(1)
26.
{
27.
printf(thread2:%d/n,i);
28.
if(i>5)
29.
pthread_exit(0);
30.
i++;
31.
sleep(1);
32.
}
33.
}
34.
35.
int
main()
36.
{
37.
pthread_t
t1,t2;
38.
39.
/*創建線程*/
40.
pthread_create(&t1,NULL,(void
*)thread1,NULL);
41.
pthread_create(&t2,NULL,(void
*)thread2,NULL);
42.
/*等待線程退出*/
43.
pthread_join(t1,NULL);
44.
pthread_join(t2,NULL);
45.
return
0;
46.
}
3同步與互斥
<1>互斥鎖
互斥鎖的操作主要包括以下幾個步驟。
•
互斥鎖初始化：pthread_mutex_init
•
互斥鎖上鎖：pthread_mutex_lock
•
互斥鎖判斷上鎖：pthread_mutex_trylock
•
互斥鎖接鎖：pthread_mutex_unlock
•
消除互斥鎖：pthread_mutex_destroy
1.
#include<pthread.h>
2.
#include<stdio.h>
3.
#include<errno.h>
4.
5.
int
i=0;/*共享變數*/
6.
pthread_mutex_t
mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;/*互斥鎖*/
7.
8.
void
thread1()
9.
{
10.
int
ret;
11.
while(1)
12.
{
13.
14.
15.
ret=pthread_mutex_trylock(&mutex);/*判斷上鎖*/
16.
17.
if(ret!=EBUSY)
18.
{
19.
pthread_mutex_lock(&mutex);/*上鎖*/
20.
printf(This
is
thread1:%d/n,i);
21.
i++;
22.
pthread_mutex_unlock(&mutex);/*解鎖*/
23.
}
24.
sleep(1);
25.
}
26.
}
27.
28.
void
thread2()
29.
{int
ret;
30.
while(1)
31.
{
32.
33.
ret=pthread_mutex_trylock(&mutex);
34.
if(ret!=EBUSY)
35.
{
36.
pthread_mutex_lock(&mutex);
37.
printf(This
is
thread2:%d/n,i);
38.
i++;
39.
pthread_mutex_unlock(&mutex);
40.
}
41.
sleep(1);
42.
}
43.
}
44.
int
main()
45.
{
46.
pthread_t
t1,t2;
47.
pthread_mutex_init(&mutex,NULL);
48.
pthread_create(&t1,NULL,(void
*)thread1,NULL);
49.
pthread_create(&t2,NULL,(void
*)thread2,NULL);
50.
51.
pthread_join(t1,NULL);
52.
pthread_join(t2,NULL);
53.
54.
pthread_mutex_destroy(&mutex);
55.
return
0;
56.
}
<2>信號量
未進行同步處理的兩個線程
1.
#include<pthread.h>
2.
#include<stdio.h>
3.
#include<errno.h>
4.
5.
int
i=0;
6.
void
thread1()
7.
{
8.
9.
while(1)
10.
{
11.
printf(This
is
thread1:%d/n,i);
12.
i++;
13.
sleep(1);
14.
}
15.
}
16.
17.
18.
void
thread2()
19.
{
20.
21.
while(1)
22.
{
23.
printf(This
is
thread2:%d/n,i);
24.
i++;
25.
sleep(1);
26.
}
27.
}
28.
29.
int
main()
30.
{
31.
pthread_t
t1,t2;
32.
33.
pthread_create(&t1,NULL,(void
*)thread1,NULL);
34.
pthread_create(&t2,NULL,(void
*)thread2,NULL);

C. 在Linux系統上，多個線程能否同時使用多個CPU核心有人說能，有人說不能

與超線程CPU在邏輯上模擬雙核不同，多核CPU每個核心都可以獨立執行一個線程，是真正意義的多個物理CPU。
第二個問題，如果你的程序的線程數少於CPU的核心數，且系統此時沒有其他進程同時運行，那麼這個程序的每個線程會享有一個CPU，當同時運行的線程數多於CPU核心數時，CPU會採用一定的調度演算法每隔一段時間就將這些線程調入或調出CPU，以確保每個線程都能分享一部分CPU時間，實現多線程並發。

D. 有人能教下我有關linux裡面線程的知識嗎

.線程的基本介紹
(1)線程的概述
線程與進程類似，也允許應用程序並發執行多個任務的一種機制。一個進程可以包含多個線程，同一程序中的所有線程共享同一份全局內存區域，線程之間沒有真正意義的等級之分。同一個進程中的線程可以並發執行，如果處理器是多核的話線程也可以並行執行，如果一個線程因為等待I/O操作而阻塞，那麼其他線程依然可以繼續運行
(2)線程優於進程的方面

argv,environ

主線程棧
線程3的棧
線程2的棧
線程1的棧
共享函數庫共享的內存
堆
未初始化的數據段
初始化數據段
文本
.進程間的信息難以共享。由於除去只讀代碼段外，父子進程並未共享內存，因此必須採用一些進程間通訊，在進程之間交換信息
.調用fork()來創建進程代價相對較高
線程很好的解決了上述倆個問題
.線程之間能夠方便，快速的共享信息，只需將數據復制到共享（全局或堆）變數中即可
.創建線程比創建線程通常要快10甚至更多，線程創建之所以快，是因為fork創建進程時所需復制多個屬性，而在線程中，這些屬性是共享的。
(3)創建線程
啟動程序時，產生的進程只有單條線程，我們稱之為主線程
#include<pthread.h>
int pthread_create(pthread_t *thread,const pthread_attr_t *attr,void*(*start)(void *),void *arg);12

新線程通過調用帶有arg的函數開始執行，調用pthread_create()的線程會繼續執行該調用之後的語句。
(4)終止線程
可以以如下方式終止線程的運行
.線程調用pthread_exit()
.線程start函數執行return語句並返回指定值
.調用pthread_cancel()取消線程
.任意線程調用了exit(),或者主線程執行了return語句，都會導致進程中的所有線程立即終止
pthread_exit()函數可以終止線程，且其返回值可由另一線程通過調用pthread_join()獲得
#include<pthread.h>void pthread_exit(void *retval);12

調用pthread_exit()相當於在線程的start函數中執行return,不同之處在於，pthread_exit()可以在任何地方調用，參數retval指定了線程的返回值
(5)獲取線程ID
#include<pthread.h>pthread_t pthread_self(void);12

線程ID在應用程序中主要有如下用途
.不同的pthreads函數利用線程ID來標識要操作目標線程。
.在具體的應用程序中，以特定線程的線程ID作為動態數據結構的標簽，這頗有用處，既可用來識別某個數據結構的創建者或屬主線程，又可確定隨後對該數據結構執行操作的具體線程
函數pthread_equal()可檢查倆個線程的ID是否相同
#include<pthread.h>int pthread_equal(pthread_t t1,pthread_t t2);//如果相同返回非0值，否則返回0123

(6)連接已終止的線程
函數pthread_join()等待由thread表識的線程終止
#include<pthread.h>int pthread_join(pthread_t thread,void **retval);//返回0調用成功，否則失敗123

如果pthread_join()傳入一個之前已然連接過的線程ID，將會導致無法預知的行為，當相同線程ID在參與一次連接後恰好為另一新建線程所重用，再度連接的可能就是這個新線程
若線程未分離，則就應該使用pthread_join()來連接線程，否則會產生僵屍線程
pthrea_join()函數的要點
.線程之間的關系是對等的，所以任意線程都可以調用pthread_join()來連接其他線程
.pthread_join()無法針對任意線程，只能連接單個線程
(6)線程的分離
默認情況下線程都是可連接的，但有時候，我們並不關心線程退出的狀態，我們可以調用pthread_detach()並向thread參數傳入指定線程的的標識符，將該線程標記為處於分離狀態
#include<pthread.h>int pthread_detach(pthread_t thread);//返回0成功，否則失敗123

一旦線程處於分離狀態，就不能在使用pthread_join()來獲取其狀態，也無法使其重返可連接狀態
(7)在應用程序中如何來選擇進程還是線程
.線程之間共享數據很簡單，進程間的數據共享需要更多的投入
.創建線程要比創建進程塊很多
.多線程編程時，需要確保調用線程安全的函數
.某個線程中的bug可能會危害進程中所有線程
.每個線程都在徵用宿主進程中有限的虛擬地址空間
.在多線程應用中，需要小心使用信號
.除了數據，線程還可以共享文件描述符，信號處置，當前工作目錄，以及用戶ID和組ID
線程的同步
(1)保護共享變數訪問：互斥量
線程的主要優勢在於能夠通過全局變數來共享信息，不過這種共享是有代價的。必須確保多個線程修改同一變數時，不會有其他線程也正在修改此變數，為避免線程更新時共享變數時所出現的問題，必須使用互斥量來確保同時僅有一個線程可以訪問某項共享資源
(2)靜態分配的互斥鎖
互斥鎖既可以像靜態變數那樣分配，也可以在運行時動態分配，互斥量屬於pthread_mutex_t類型的變數，在使用之前必須對其初始化。對於靜態分配的互斥量而言，可如下例所示，將PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER賦給互斥量
pthread_mutex_t = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;1

1.加鎖和解鎖互斥量
初始化之後，互斥量處於未鎖定狀態。函數pthread_mutex_lock()可以鎖定某一互斥量
而函數pthread_mutex_unlock()則可以將一個互斥量解鎖
#include<pthread.h>int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex);int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex);//返回0成功，其他失敗1234

要鎖定互斥量，在調用pthread_mutex_lock()時需要指定互斥量，如果互斥量當前處於未鎖定狀態，則該調用將會立即返回，如果該互斥量已被其他線程鎖定，那麼該調用將會阻塞，直至互斥量被解鎖
函數pthread_mutex_unlock()將解鎖之前已遭調用線程鎖定的互斥量
2.互斥量的性能
通常情況下，線程會花費更多的時間去做其他工作，對互斥量的加鎖解鎖相對要少的多，因此使用互斥量對大部分程序來說性能並無顯著的影響
3.互斥量的死鎖
當一個線程需要同時訪問多個共享資源時，沒個資源由不同的互斥索管理。當超過一個線程加鎖同一組互斥量時，就有可能發生死鎖。如下圖所示
線程A
1.pthread_mutex_lock(mutex1);
2.pthread_mutex_lock(mutex2);
線程2
1.pthread_mutex_lock(mutex2);
2.pthread_mutex_lock(mutex1);
每個線程都成功的鎖住一個互斥量，接著試圖對以為另一線程鎖定的互斥量加鎖，就會一直等下去
要避免此類死鎖問題，最簡單的就是定義互斥量的層級關系

E. Linux下如何在線程中並發運行兩個死循環

pthread_join 就是要等待線程退出的。

以上程序的功能是運行一個線程（fun1），然後等待它結束，再運行另一個線程（fun2），繼續等待它退出，同時運行的線程最多兩個（初始線程和兩個fun中的一個）。

同時運行fun1和fun2，只需要把 pthead_join(tid1, &ret); 移到第二個pthread_create後面就可以了。結果是運行fun1線程，然後運行fun2線程，再等待兩個線程退出（線程里是死循環，永遠等不到退出）。

注意看 pthread_join 的作用，Linux的手冊頁有詳細描述。可以直接把線程設為detached，在線程里調pthread_exit。這樣線程結束後，相關資源自動被釋放，不用管該什麼時候調用 pthread_join。

F. 如何實現linux下多線程之間的互斥與同步

Linux設備驅動中必須解決的一個問題是多個進程對共享資源的並發訪問，並發訪問會導致競態，linux提供了多種解決競態問題的方式，這些方式適合不同的應用場景。

Linux內核是多進程、多線程的操作系統，它提供了相當完整的內核同步方法。內核同步方法列表如下：
中斷屏蔽
原子操作
自旋鎖
讀寫自旋鎖
順序鎖
信號量
讀寫信號量
BKL（大內核鎖）
Seq鎖
一、並發與競態：
定義：
並發（concurrency）指的是多個執行單元同時、並行被執行，而並發的執行單元對共享資源（硬體資源和軟體上的全局變數、靜態變數等）的訪問則很容易導致競態（race conditions）。
在linux中，主要的競態發生在如下幾種情況：
1、對稱多處理器（SMP）多個CPU
特點是多個CPU使用共同的系統匯流排，因此可訪問共同的外設和存儲器。
2、單CPU內進程與搶占它的進程
3、中斷（硬中斷、軟中斷、Tasklet、底半部）與進程之間
只要並發的多個執行單元存在對共享資源的訪問，競態就有可能發生。
如果中斷處理程序訪問進程正在訪問的資源，則競態也會會發生。
多個中斷之間本身也可能引起並發而導致競態（中斷被更高優先順序的中斷打斷）。

解決競態問題的途徑是保證對共享資源的互斥訪問，所謂互斥訪問就是指一個執行單元在訪問共享資源的時候，其他的執行單元都被禁止訪問。

訪問共享資源的代碼區域被稱為臨界區，臨界區需要以某種互斥機制加以保護，中斷屏蔽，原子操作，自旋鎖，和信號量都是linux設備驅動中可採用的互斥途徑。

臨界區和競爭條件：
所謂臨界區（critical regions）就是訪問和操作共享數據的代碼段，為了避免在臨界區中並發訪問，編程者必須保證這些代碼原子地執行——也就是說，代碼在執行結束前不可被打斷，就如同整個臨界區是一個不可分割的指令一樣，如果兩個執行線程有可能處於同一個臨界區中，那麼就是程序包含一個bug，如果這種情況發生了，我們就稱之為競爭條件（race conditions），避免並發和防止競爭條件被稱為同步。

死鎖：
死鎖的產生需要一定條件：要有一個或多個執行線程和一個或多個資源，每個線程都在等待其中的一個資源，但所有的資源都已經被佔用了，所有線程都在相互等待，但它們永遠不會釋放已經佔有的資源，於是任何線程都無法繼續，這便意味著死鎖的發生。

二、中斷屏蔽
在單CPU范圍內避免競態的一種簡單方法是在進入臨界區之前屏蔽系統的中斷。
由於linux內核的進程調度等操作都依賴中斷來實現，內核搶占進程之間的並發也就得以避免了。
中斷屏蔽的使用方法：
local_irq_disable()//屏蔽中斷
//臨界區
local_irq_enable()//開中斷
特點：
由於linux系統的非同步IO，進程調度等很多重要操作都依賴於中斷，在屏蔽中斷期間所有的中斷都無法得到處理，因此長時間的屏蔽是很危險的，有可能造成數據丟失甚至系統崩潰，這就要求在屏蔽中斷之後，當前的內核執行路徑應當盡快地執行完臨界區的代碼。
中斷屏蔽只能禁止本CPU內的中斷，因此，並不能解決多CPU引發的競態，所以單獨使用中斷屏蔽並不是一個值得推薦的避免競態的方法，它一般和自旋鎖配合使用。

三、原子操作
定義：原子操作指的是在執行過程中不會被別的代碼路徑所中斷的操作。
（原子原本指的是不可分割的微粒，所以原子操作也就是不能夠被分割的指令）
（它保證指令以「原子」的方式執行而不能被打斷）
原子操作是不可分割的，在執行完畢不會被任何其它任務或事件中斷。在單處理器系統(UniProcessor)中，能夠在單條指令中完成的操作都可以認為是" 原子操作"，因為中斷只能發生於指令之間。這也是某些CPU指令系統中引入了test_and_set、test_and_clear等指令用於臨界資源互斥的原因。但是，在對稱多處理器(Symmetric Multi-Processor)結構中就不同了，由於系統中有多個處理器在獨立地運行，即使能在單條指令中完成的操作也有可能受到干擾。我們以decl (遞減指令)為例，這是一個典型的"讀－改－寫"過程，涉及兩次內存訪問。
通俗理解：
原子操作，顧名思義，就是說像原子一樣不可再細分。一個操作是原子操作，意思就是說這個操作是以原子的方式被執行，要一口氣執行完，執行過程不能夠被OS的其他行為打斷，是一個整體的過程，在其執行過程中，OS的其它行為是插不進來的。
分類：linux內核提供了一系列函數來實現內核中的原子操作，分為整型原子操作和位原子操作，共同點是：在任何情況下操作都是原子的，內核代碼可以安全的調用它們而不被打斷。

原子整數操作：
針對整數的原子操作只能對atomic_t類型的數據進行處理，在這里之所以引入了一個特殊的數據類型，而沒有直接使用C語言的int型，主要是出於兩個原因：
第一、讓原子函數只接受atomic_t類型的操作數，可以確保原子操作只與這種特殊類型數據一起使用，同時，這也確保了該類型的數據不會被傳遞給其它任何非原子函數；
第二、使用atomic_t類型確保編譯器不對相應的值進行訪問優化——這點使得原子操作最終接收到正確的內存地址，而不是一個別名，最後就是在不同體系結構上實現原子操作的時候，使用atomic_t可以屏蔽其間的差異。
原子整數操作最常見的用途就是實現計數器。
另一點需要說明原子操作只能保證操作是原子的，要麼完成，要麼不完成，不會有操作一半的可能，但原子操作並不能保證操作的順序性，即它不能保證兩個操作是按某個順序完成的。如果要保證原子操作的順序性，請使用內存屏障指令。
atomic_t和ATOMIC_INIT(i)定義
typedef struct { volatile int counter; } atomic_t;
#define ATOMIC_INIT(i) { (i) }

在你編寫代碼的時候，能使用原子操作的時候，就盡量不要使用復雜的加鎖機制，對多數體系結構來講，原子操作與更復雜的同步方法相比較，給系統帶來的開銷小，對高速緩存行的影響也小，但是，對於那些有高性能要求的代碼，對多種同步方法進行測試比較，不失為一種明智的作法。

原子位操作：
針對位這一級數據進行操作的函數，是對普通的內存地址進行操作的。它的參數是一個指針和一個位號。

為方便其間，內核還提供了一組與上述操作對應的非原子位函數，非原子位函數與原子位函數的操作完全相同，但是，前者不保證原子性，且其名字前綴多兩個下劃線。例如，與test_bit()對應的非原子形式是_test_bit()，如果你不需要原子性操作（比如，如果你已經用鎖保護了自己的數據），那麼這些非原子的位函數相比原子的位函數可能會執行得更快些。

四、自旋鎖
自旋鎖的引入：
如 果每個臨界區都能像增加變數這樣簡單就好了，可惜現實不是這樣，而是臨界區可以跨越多個函數，例如：先得從一個數據結果中移出數據，對其進行格式轉換和解 析，最後再把它加入到另一個數據結構中，整個執行過程必須是原子的，在數據被更新完畢之前，不能有其他代碼讀取這些數據，顯然，簡單的原子操作是無能為力 的（在單處理器系統(UniProcessor)中，能夠在單條指令中完成的操作都可以認為是" 原子操作"，因為中斷只能發生於指令之間），這就需要使用更為復雜的同步方法——鎖來提供保護。

自旋鎖的介紹：
Linux內核中最常見的鎖是自旋鎖（spin lock），自旋鎖最多隻能被一個可執行線程持有，如果一個執行線程試圖獲得一個被爭用（已經被持有）的自旋鎖，那麼該線程就會一直進行忙循環—旋轉—等待鎖重新可用，要是鎖未被爭用，請求鎖的執行線程便能立刻得到它，繼續執行，在任意時間，自旋鎖都可以防止多於一個的執行線程同時進入理解區，注意同一個鎖可以用在多個位置—例如，對於給定數據的所有訪問都可以得到保護和同步。
一個被爭用的自旋鎖使得請求它的線程在等待鎖重新可用時自旋（特別浪費處理器時間），所以自旋鎖不應該被長時間持有，事實上，這點正是使用自旋鎖的初衷，在短期間內進行輕量級加鎖，還可以採取另外的方式來處理對鎖的爭用：讓請求線程睡眠，直到鎖重新可用時再喚醒它，這樣處理器就不必循環等待，可以去執行其他代碼，這也會帶來一定的開銷——這里有兩次明顯的上下文切換， 被阻塞的線程要換出和換入。因此，持有自旋鎖的時間最好小於完成兩次上下文切換的耗時，當然我們大多數人不會無聊到去測量上下文切換的耗時，所以我們讓持 有自旋鎖的時間應盡可能的短就可以了，信號量可以提供上述第二種機制，它使得在發生爭用時，等待的線程能投入睡眠，而不是旋轉。
自旋鎖可以使用在中斷處理程序中（此處不能使用信號量，因為它們會導致睡眠），在中斷處理程序中使用自旋鎖時，一定要在獲取鎖之前，首先禁止本地中斷（在 當前處理器上的中斷請求），否則，中斷處理程序就會打斷正持有鎖的內核代碼，有可能會試圖去爭用這個已經持有的自旋鎖，這樣以來，中斷處理程序就會自旋， 等待該鎖重新可用，但是鎖的持有者在這個中斷處理程序執行完畢前不可能運行，這正是我們在前一章節中提到的雙重請求死鎖，注意，需要關閉的只是當前處理器上的中斷，如果中斷發生在不同的處理器上，即使中斷處理程序在同一鎖上自旋，也不會妨礙鎖的持有者（在不同處理器上）最終釋放鎖。

自旋鎖的簡單理解：
理解自旋鎖最簡單的方法是把它作為一個變數看待，該變數把一個臨界區或者標記為「我當前正在運行，請稍等一會」或者標記為「我當前不在運行，可以被使用」。如果A執行單元首先進入常式，它將持有自旋鎖，當B執行單元試圖進入同一個常式時，將獲知自旋鎖已被持有，需等到A執行單元釋放後才能進入。

自旋鎖的API函數：

其實介紹的幾種信號量和互斥機制，其底層源碼都是使用自旋鎖,可以理解為自旋鎖的再包裝。所以從這里就可以理解為什麼自旋鎖通常可以提供比信號量更高的性能。
自旋鎖是一個互斥設備，他只能會兩個值：「鎖定」和「解鎖」。它通常實現為某個整數之中的單個位。
「測試並設置」的操作必須以原子方式完成。
任何時候，只要內核代碼擁有自旋鎖，在相關CPU上的搶占就會被禁止。
適用於自旋鎖的核心規則：
（1）任何擁有自旋鎖的代碼都必須使原子的，除服務中斷外（某些情況下也不能放棄CPU,如中斷服務也要獲得自旋鎖。為了避免這種鎖陷阱，需要在擁有自旋鎖時禁止中斷），不能放棄CPU（如休眠，休眠可發生在許多無法預期的地方）。否則CPU將有可能永遠自旋下去（死機）。
（2）擁有自旋鎖的時間越短越好。

需 要強調的是，自旋鎖別設計用於多處理器的同步機制，對於單處理器（對於單處理器並且不可搶占的內核來說，自旋鎖什麼也不作），內核在編譯時不會引入自旋鎖 機制，對於可搶占的內核，它僅僅被用於設置內核的搶占機制是否開啟的一個開關，也就是說加鎖和解鎖實際變成了禁止或開啟內核搶占功能。如果內核不支持搶 占，那麼自旋鎖根本就不會編譯到內核中。
內核中使用spinlock_t類型來表示自旋鎖，它定義在：
typedef struct {
raw_spinlock_t raw_lock;
#if defined(CONFIG_PREEMPT) && defined(CONFIG_SMP)
unsigned int break_lock;
#endif
} spinlock_t;

對於不支持SMP的內核來說，struct raw_spinlock_t什麼也沒有，是一個空結構。對於支持多處理器的內核來說，struct raw_spinlock_t定義為
typedef struct {
unsigned int slock;
} raw_spinlock_t;

slock表示了自旋鎖的狀態，「1」表示自旋鎖處於解鎖狀態（UNLOCK），「0」表示自旋鎖處於上鎖狀態（LOCKED）。
break_lock表示當前是否由進程在等待自旋鎖，顯然，它只有在支持搶占的SMP內核上才起作用。
自旋鎖的實現是一個復雜的過程，說它復雜不是因為需要多少代碼或邏輯來實現它，其實它的實現代碼很少。自旋鎖的實現跟體系結構關系密切，核心代碼基本也是由匯編語言寫成，與體協結構相關的核心代碼都放在相關的目錄下，比如。對於我們驅動程序開發人員來說，我們沒有必要了解這么spinlock的內部細節，如果你對它感興趣，請參考閱讀Linux內核源代碼。對於我們驅動的spinlock介面，我們只需包括頭文件。在我們詳細的介紹spinlock的API之前，我們先來看看自旋鎖的一個基本使用格式：
#include
spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;

spin_lock(&lock);
....
spin_unlock(&lock);

從使用上來說，spinlock的API還很簡單的，一般我們會用的的API如下表，其實它們都是定義在中的宏介面，真正的實現在中
#include
SPIN_LOCK_UNLOCKED
DEFINE_SPINLOCK
spin_lock_init( spinlock_t *)
spin_lock(spinlock_t *)
spin_unlock(spinlock_t *)
spin_lock_irq(spinlock_t *)
spin_unlock_irq(spinlock_t *)
spin_lock_irqsace(spinlock_t *，unsigned long flags)
spin_unlock_irqsace(spinlock_t *, unsigned long flags)
spin_trylock(spinlock_t *)
spin_is_locked(spinlock_t *)

• 初始化
spinlock有兩種初始化形式，一種是靜態初始化，一種是動態初始化。對於靜態的spinlock對象，我們用 SPIN_LOCK_UNLOCKED來初始化，它是一個宏。當然，我們也可以把聲明spinlock和初始化它放在一起做，這就是 DEFINE_SPINLOCK宏的工作，因此，下面的兩行代碼是等價的。
DEFINE_SPINLOCK (lock);
spinlock_t lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;

spin_lock_init 函數一般用來初始化動態創建的spinlock_t對象，它的參數是一個指向spinlock_t對象的指針。當然，它也可以初始化一個靜態的沒有初始化的spinlock_t對象。
spinlock_t *lock
......
spin_lock_init(lock);

• 獲取鎖
內核提供了三個函數用於獲取一個自旋鎖。
spin_lock：獲取指定的自旋鎖。
spin_lock_irq：禁止本地中斷並獲取自旋鎖。
spin_lock_irqsace：保存本地中斷狀態，禁止本地中斷並獲取自旋鎖，返回本地中斷狀態。

自旋鎖是可以使用在中斷處理程序中的，這時需要使用具有關閉本地中斷功能的函數，我們推薦使用 spin_lock_irqsave，因為它會保存加鎖前的中斷標志，這樣就會正確恢復解鎖時的中斷標志。如果spin_lock_irq在加鎖時中斷是關閉的，那麼在解鎖時就會錯誤的開啟中斷。

另外兩個同自旋鎖獲取相關的函數是：
spin_trylock()：嘗試獲取自旋鎖，如果獲取失敗則立即返回非0值，否則返回0。
spin_is_locked()：判斷指定的自旋鎖是否已經被獲取了。如果是則返回非0，否則，返回0。
• 釋放鎖
同獲取鎖相對應，內核提供了三個相對的函數來釋放自旋鎖。
spin_unlock：釋放指定的自旋鎖。
spin_unlock_irq：釋放自旋鎖並激活本地中斷。
spin_unlock_irqsave：釋放自旋鎖，並恢復保存的本地中斷狀態。

五、讀寫自旋鎖
如 果臨界區保護的數據是可讀可寫的，那麼只要沒有寫操作，對於讀是可以支持並發操作的。對於這種只要求寫操作是互斥的需求，如果還是使用自旋鎖顯然是無法滿 足這個要求（對於讀操作實在是太浪費了）。為此內核提供了另一種鎖－讀寫自旋鎖，讀自旋鎖也叫共享自旋鎖，寫自旋鎖也叫排他自旋鎖。
讀寫自旋鎖是一種比自旋鎖粒度更小的鎖機制，它保留了「自旋」的概念，但是在寫操作方面，只能最多有一個寫進程，在讀操作方面，同時可以有多個讀執行單元，當然，讀和寫也不能同時進行。
讀寫自旋鎖的使用也普通自旋鎖的使用很類似，首先要初始化讀寫自旋鎖對象：
// 靜態初始化
rwlock_t rwlock = RW_LOCK_UNLOCKED;
//動態初始化
rwlock_t *rwlock;
...
rw_lock_init(rwlock);

在讀操作代碼里對共享數據獲取讀自旋鎖：
read_lock(&rwlock);
...
read_unlock(&rwlock);

在寫操作代碼里為共享數據獲取寫自旋鎖：
write_lock(&rwlock);
...
write_unlock(&rwlock);

需要注意的是，如果有大量的寫操作，會使寫操作自旋在寫自旋鎖上而處於寫飢餓狀態（等待讀自旋鎖的全部釋放），因為讀自旋鎖會自由的獲取讀自旋鎖。

讀寫自旋鎖的函數類似於普通自旋鎖，這里就不一一介紹了，我們把它列在下面的表中。
RW_LOCK_UNLOCKED
rw_lock_init(rwlock_t *)
read_lock(rwlock_t *)
read_unlock(rwlock_t *)
read_lock_irq(rwlock_t *)
read_unlock_irq(rwlock_t *)
read_lock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
read_unlock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
write_lock(rwlock_t *)
write_unlock(rwlock_t *)
write_lock_irq(rwlock_t *)
write_unlock_irq(rwlock_t *)
write_lock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
write_unlock_irqsave(rwlock_t *, unsigned long)
rw_is_locked(rwlock_t *)
六、順序瑣
順序瑣（seqlock）是對讀寫鎖的一種優化，若使用順序瑣，讀執行單元絕不會被寫執行單元阻塞，也就是說，讀執行單元可以在寫執行單元對被順序瑣保護的共享資源進行寫操作時仍然可以繼續讀，而不必等待寫執行單元完成寫操作，寫執行單元也不需要等待所有讀執行單元完成讀操作才去進行寫操作。
但是，寫執行單元與寫執行單元之間仍然是互斥的，即如果有寫執行單元在進行寫操作，其它寫執行單元必須自旋在哪裡，直到寫執行單元釋放了順序瑣。
如果讀執行單元在讀操作期間，寫執行單元已經發生了寫操作，那麼，讀執行單元必須重新讀取數據，以便確保得到的數據是完整的，這種鎖在讀寫同時進行的概率比較小時，性能是非常好的，而且它允許讀寫同時進行，因而更大的提高了並發性，
注意，順序瑣由一個限制，就是它必須被保護的共享資源不含有指針，因為寫執行單元可能使得指針失效，但讀執行單元如果正要訪問該指針，將導致Oops。
七、信號量
Linux中的信號量是一種睡眠鎖，如果有一個任務試圖獲得一個已經被佔用的信號量時，信號量會將其推進一個等待隊列，然後讓其睡眠，這時處理器能重獲自由，從而去執行其它代碼，當持有信號量的進程將信號量釋放後，處於等待隊列中的哪個任務被喚醒，並獲得該信號量。
信號量，或旗標，就是我們在操作系統里學習的經典的P/V原語操作。
P：如果信號量值大於0，則遞減信號量的值，程序繼續執行，否則，睡眠等待信號量大於0。
V：遞增信號量的值，如果遞增的信號量的值大於0，則喚醒等待的進程。

信號量的值確定了同時可以有多少個進程可以同時進入臨界區，如果信號量的初始值始1，這信號量就是互斥信號量（MUTEX）。對於大於1的非0值信號量，也可稱為計數信號量（counting semaphore）。對於一般的驅動程序使用的信號量都是互斥信號量。
類似於自旋鎖，信號量的實現也與體系結構密切相關，具體的實現定義在頭文件中，對於x86_32系統來說，它的定義如下：
struct semaphore {
atomic_t count;
int sleepers;
wait_queue_head_t wait;
};

信號量的初始值count是atomic_t類型的，這是一個原子操作類型，它也是一個內核同步技術，可見信號量是基於原子操作的。我們會在後面原子操作部分對原子操作做詳細介紹。

信號量的使用類似於自旋鎖，包括創建、獲取和釋放。我們還是來先展示信號量的基本使用形式：
static DECLARE_MUTEX(my_sem);
......
if (down_interruptible(&my_sem))

{
return -ERESTARTSYS;
}
......
up(&my_sem)

Linux內核中的信號量函數介面如下：
static DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name, count);
static DECLARE_MUTEX(name);
seam_init(struct semaphore *, int);
init_MUTEX(struct semaphore *);
init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *)
down_interruptible(struct semaphore *);
down(struct semaphore *)
down_trylock(struct semaphore *)
up(struct semaphore *)
• 初始化信號量
信號量的初始化包括靜態初始化和動態初始化。靜態初始化用於靜態的聲明並初始化信號量。
static DECLARE_SEMAPHORE_GENERIC(name, count);
static DECLARE_MUTEX(name);

對於動態聲明或創建的信號量，可以使用如下函數進行初始化：
seam_init(sem, count);
init_MUTEX(sem);
init_MUTEX_LOCKED(struct semaphore *)

顯然，帶有MUTEX的函數始初始化互斥信號量。LOCKED則初始化信號量為鎖狀態。
• 使用信號量
信號量初始化完成後我們就可以使用它了
down_interruptible(struct semaphore *);
down(struct semaphore *)
down_trylock(struct semaphore *)
up(struct semaphore *)

down函數會嘗試獲取指定的信號量，如果信號量已經被使用了，則進程進入不可中斷的睡眠狀態。down_interruptible則會使進程進入可中斷的睡眠狀態。關於進程狀態的詳細細節，我們在內核的進程管理里在做詳細介紹。

down_trylock嘗試獲取信號量， 如果獲取成功則返回0，失敗則會立即返回非0。

當退出臨界區時使用up函數釋放信號量，如果信號量上的睡眠隊列不為空，則喚醒其中一個等待進程。

八、讀寫信號量
類似於自旋鎖，信號量也有讀寫信號量。讀寫信號量API定義在頭文件中，它的定義其實也是體系結構相關的，因此具體實現定義在頭文件中，以下是x86的例子：
struct rw_semaphore {
signed long count;
spinlock_t wait_lock;
struct list_head wait_list;
};