Linux下互斥机制及其分析-计算机应用研究.PDF

·72 · 计算机应用研究 2005 年 Linux 下互斥机制及其分析 李 晋, 葛敬国 ( 中国科学院 计算机网络信息中心, 北京 100080) 摘 要: 详细介绍了在 Linux 环境下, 特别是内核态下可能遇到的各种互斥场景, 依据代码执行路径对其进行 了分类。在此基础上, 比较了各种互斥问题的解决方案的使用环境、优缺点以及使用时要注意的问题。 关键词: 中断屏蔽; 原子操作; 互斥; 自旋锁; 信号量 中图法分类号: TP316. 8 文献标识码: A 文章编号 : 1001- 3695( 2005) 08- 0072- 03 Analyses of Mutual Exclusion Mechanism in Linux LI Jin, GE Jing-guo ( Computer Network Information Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China) Abstract: This article describes the mutex situation under the Linux environment, especially in kernel space, and classifies them by code-executing path. It also shows the usage, weakness and strength of each solution. Key words: Mask Interrupt; Atomic Operation; Mutex; Spinlock; Semaphore 从出现操作系统以来, 互斥就是一个重要且必须解决的问 的互斥机制, 在 SMP( Symmetrical Multi-Processing, 对称多处 题。硬件、操作系统和高级语言为解决这个问题提供了一系列 理) 系统同样起作用, 所以用户空间的互斥问题是很简单的 的支持, 高级语言通常只提供进程级的互斥机制, 但是要对硬 ( 关于信号量将在第 2 章介绍) 。本文重点说明内核态下的互 件进行编程或做操作系统级别的底层工作时, 单一的互斥机制 斥, 下文出现的互斥如果不特别说明均指内核互斥。 是不够的。因为程序中存在大量非进程级的互斥场景, 加大了 如图 1 所示, 代码执行路径分为: 问题的复杂度。操作系统提供很多互斥机制, 然而对不同的互 ( 1) 进程通过系统调用进入内核的代码路径, 我们称它为 斥场景选择合适的互斥机制是至关重要的。互斥方法的作用 进程代码路径。本文所说的进程代码路径指的仅仅是在内核 范围太小, 达不到上锁目标, 太大会影响系统效率。本文的目 中执行的代码路径。每一个尚未完成系统调用的进程都对应 的就是分析互斥场景、互斥机制的功能与效果及其对系统性能 着一条内核代码路径; 每一个内核线程也相当于一条进程代码 的影响, 并介绍如何选择最佳的互斥机制。 路径。这种路径中有进程上下文。 ( 2) 异常处理代码, 它是由于当前进程的执行而引起的。 1 互斥场景 对于正在内核中运行的进程来说, 它们唯一会引起的异常是 “缺页”处理程序。它没有进程上下文。 1. 1 代码执行路径和临界区