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一、為什么需要同步機制？
Linux 是一個支持 多核并發 + 搶占式調度 的操作系統，多個內核線程可能同時訪問同一份內存區域，例如：驅動共享某個全局變量、文件系統緩存讀寫、網絡緩沖區處理等等。
如果沒有同步機制，就會產生競態條件（Race Condition），導致數據錯亂、內核崩潰甚至安全漏洞。
因此，Linux 內核實現了一整套高效的同步機制，用來協調不同 CPU、不同執行上下文之間對共享資源的訪問。
二、Linux 中的主要同步機制
| 同步機制 | 是否可睡眠 | 適用場景 | 常見用法 | 內核位置 |
|---|---|---|---|---|
| 原子變量 | 否 | 簡單計數/標志 | 狀態標志、自增自減 | include/linux/atomic.h |
| 自旋鎖 | 否 | 中斷處理、短臨界區 | 硬件寄存器、短時間保護 | include/linux/spinlock.h |
| 信號量 | 是 | 多資源管理 | 限制并發訪問數 | include/linux/semaphore.h |
| 互斥鎖 | 是 | 臨界區保護 | 普通數據結構保護 | include/linux/mutex.h |
| RCU | 部分讀者無鎖 | 讀多寫少的表結構 | 任務列表、網絡表項 | kernel/rcu/ |
三、五種同步機制逐一講解
3.1 原子變量
? 場景：狀態標志、自增計數器
atomic_t count;
atomic_set(&count, 0);atomic_inc(&count); // ++count
atomic_dec(&count); // --countif (atomic_read(&count) == 0) {// 說明資源清空或條件滿足
}
- 原子變量適合簡短邏輯，如計數器、標志位。
- 不適合保護復雜數據結構。
? 面試考點：
- 原子變量是否需要鎖？→ 否。
- 原子操作能否用于中斷上下文？→ 可以。
3.2 自旋鎖（Spinlock）
? 場景：短時間保護、中斷上下文
spinlock_t my_lock;
spin_lock_init(&my_lock);spin_lock(&my_lock);
/* 訪問共享資源 */
spin_unlock(&my_lock);
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? 中斷安全版本：
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&my_lock, flags);
/* 臨界區 */
spin_unlock_irqrestore(&my_lock, flags);
? 特點：
- 獲取不到鎖會 原地忙等（自旋），適合快速操作；
- 不可用于睡眠上下文，否則死鎖；
- 常用于中斷處理函數、底半部等高優先級邏輯。
? 面試考點：
- spin_lock 與 mutex 有什么區別？
- 中斷上下文是否可以使用 mutex？→ 否。
3.3 信號量（Semaphore）
? 場景：控制多個線程對有限資源訪問
struct semaphore sem;
sema_init(&sem, 3); // 最多允許3個并發/* 請求資源 */
down(&sem); // 若資源不足，將睡眠/* 使用資源 *//* 釋放資源 */
up(&sem);
- 適合表示資源池，如“3臺打印機”、“10個緩存槽位”；
- 已逐漸被 mutex 替代。
? 面試考點：
- down()/up() 會阻塞線程嗎？→ 是。
- 信號量適合中斷中使用嗎？→ 否（會睡眠）。
3.4 互斥鎖（Mutex）
? 場景：線程間對共享數據的互斥訪問
struct mutex my_mutex;
mutex_init(&my_mutex);mutex_lock(&my_mutex);
/* 臨界區代碼 */
mutex_unlock(&my_mutex);
- 獲取不到鎖會讓當前線程 掛起等待，資源釋放后再調度回來；
- 不適合中斷處理。
? 特點對比：
| 比較項 | spinlock | mutex |
|---|---|---|
| 可否睡眠 | 否 | 是 |
| 場景 | 中斷/底半部 | 普通線程 |
| 獲取失敗 | 自旋等待 | 睡眠等待 |
? 面試考點：
- mutex 和 semaphore 區別？→ semaphore 是計數，mutex 僅一人。
3.5 RCU（Read-Copy-Update）
? 場景：讀多寫少，如任務列表、網絡表項
讀操作（不加鎖）：
rcu_read_lock();
my_ptr = rcu_dereference(global_ptr);
/* 安全讀取數據 */
rcu_read_unlock();
寫操作（復制更新）：
new_ptr = kmalloc(...);
/* 修改副本 */
rcu_assign_pointer(global_ptr, new_ptr);
synchronize_rcu();
/* 釋放舊數據 */
kfree(old_ptr);
? 特點：
- 讀性能極高，不加鎖；
- 寫復雜，需注意數據生命周期；
- 常用于鏈表、哈希表等結構。
? 面試考點：
- RCU 是否支持多讀多寫？→ 多讀 + 單寫 + 延遲銷毀。
- RCU 與普通鎖最大區別？→ 讀時不阻塞。
四、實戰示例：共享計數器保護
? 錯誤示例：未加鎖
static int count = 0;void do_work(void) {count++; // 多線程訪問存在競態！
}
? 正確方式：使用原子變量
static atomic_t count = ATOMIC_INIT(0);void do_work(void) {atomic_inc(&count);
}
? 或使用自旋鎖
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、面試常見問題匯總（含答案）
-
spinlock 和 mutex 有何區別？
- spinlock 不可睡眠、適用于中斷上下文；mutex 會睡眠、適合線程間同步。
-
原子變量需要加鎖嗎？
- 不需要，已具備原子性。
-
哪些鎖不能用于中斷？
- mutex、semaphore 會睡眠，不能用于中斷處理。
-
RCU 為什么性能高？
- 讀操作無鎖，不阻塞任何線程，極高并發性。
-
如何避免死鎖？
- 保持鎖獲取順序一致；禁止在持鎖時調用睡眠函數（如 mutex + msleep()）；中斷上下文避免調用可睡眠接口。
六、小結：如何選用同步機制？
| 場景 | 建議同步方式 |
|---|---|
| 標志位、計數器 | 原子變量 |
| 中斷處理、底半部 | 自旋鎖 |
| 用戶進程臨界區 | 互斥鎖 mutex |
| 限制訪問數量（N個資源） | 信號量 semaphore |
| 讀多寫少表結構 | RCU |
七、結束語
Linux 內核的同步機制是驅動開發和內核編程中的“必修課”，掌握好它不僅能寫出正確的代碼，更是邁入高級內核開發的關鍵一步。
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