Comment choisir les verrous mutex, les verrous en lecture-écriture, les verrous rotatifs et les sémaphores dans le noyau Linux ?

1. Avant-propos

Il existe de nombreux types de verrous dans le noyau Linux, et ils peuvent tous être utilisés pour protéger les ressources critiques afin d'éviter les conditions de concurrence entre plusieurs threads ou processus, protégeant ainsi la stabilité et la fiabilité du système. Les types de ces verrous incluent : Les verrous Mutex (mutex）、读写锁（rwlock）、自旋锁（spinlock）和信号量（semaphore). Aujourd'hui, je vais vous présenter les différents verrous du noyau Linux et comment choisir quel verrou utiliser dans des projets réels.

2. Introduction à plusieurs types de serrures

Les verrous Mutex (mutex） 是一种常用的锁，它可以保护共享资源，使得在某个时刻只有一个线程或进程能够访问它。读写锁（rwlock）则可以同时允许多个线程或进程读取共享资源，但只允许一个线程或进程写入它。自旋锁（spinlock）可以用来保护共享资源，使得在某个时刻只有一个线程或进程能够访问它，但它会使线程或进程“自旋”，直到获得锁为止。最后，信号量（semaphore) peuvent être utilisés pour contrôler l'accès aux ressources partagées afin de garantir que d'autres threads ou processus peuvent y accéder en toute sécurité.

Le verrouillage en lecture-écriture (rwlock) est un mécanisme de synchronisation utilisé pour contrôler l'accès multithread aux ressources partagées. Lorsqu'un thread a besoin de lire une ressource partagée, il peut acquérir un verrou en lecture afin que d'autres threads puissent lire la ressource en même temps sans conflit. Lorsqu'un thread doit écrire sur une ressource partagée, il peut acquérir un verrou en écriture afin que les autres threads ne puissent pas accéder à la ressource, garantissant ainsi l'intégrité et la cohérence des données.

Spin lock (spinlock)spinlock） 是一种简单而有效的用于解决多线程同步问题的锁。它是一种排他锁，可以在多线程环境下保护共享资源，以防止多个线程同时访问该资源。自旋锁的基本原理是，在一个线程试图获取锁时，它会不断尝试获取锁，直到成功为止。在这期间，线程不会进入休眠状态，而是一直处于忙等待（busy-waiting est un verrou simple et efficace utilisé pour résoudre les problèmes de synchronisation multi-thread. Il s'agit d'un verrou exclusif qui protège les ressources partagées dans un environnement multithread pour empêcher plusieurs threads d'accéder à la ressource en même temps. Le principe de base d'un verrou tournant est que lorsqu'un thread tente d'acquérir un verrou, il continuera à essayer d'acquérir le verrou jusqu'à ce qu'il réussisse. Pendant cette période, le thread n'entrera pas en état de veille, mais sera toujours occupé en attente (busy-waiting), d'où vient le nom du verrou tournant.

Sémaphore (semaphore） 是一种常用的同步机制，它可以用来控制多个线程对共享资源的访问。它有助于确保同一时间只有一个线程能够访问共享资源，从而避免资源冲突和竞争。信号量是一种整数计数器，用于跟踪可用资源的数量。当一个线程需要访问共享资源时，它首先必须获取信号量，这会将信号量的计数器减少 1), et lorsqu'il termine l'accès à la ressource partagée, il doit libérer le sémaphore pour que d'autres threads puissent également accéder à la ressource partagée.

4.Mutex

Le verrouillage Mutex est le type de verrouillage le plus basique et est largement utilisé dans le noyau. Il s'agit d'un verrou binaire qui ne peut être détenu que par un seul thread à la fois. Lorsqu'un thread demande le verrou, si le verrou est déjà occupé, le thread est bloqué jusqu'à ce que le verrou soit libéré. L'implémentation de verrous mutex utilise des opérations atomiques, ses performances sont donc relativement élevées, mais elles sont également sujettes à des situations de blocage.

Dans le noyau, le verrou mutex est défini comme suit :

struct mutex {
    raw_spinlock_t      wait_lock;
    struct list_head    wait_list;
    struct task_struct  *owner;
    int                 recursion;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
    struct lockdep_map  dep_map;
#endif
};

L'utilisation des verrous mutex est très simple et ne nécessite généralement que l'appel de deux fonctions :

void mutex_init(struct mutex *lock)：函数用于初始化互斥锁
void mutex_lock(struct mutex *lock)：函数用于获取互斥锁
void mutex_unlock(struct mutex *lock)：函数用于释放互斥锁

5. Verrouillage lecteur-écrivain

Le verrouillage en lecture-écriture est un type spécial de verrouillage qui permet à plusieurs threads de lire des ressources partagées en même temps, mais qui permet à un seul thread d'écrire sur des ressources partagées. L'implémentation du verrou en lecture-écriture utilise deux compteurs pour enregistrer le nombre de threads de lecture et le nombre de threads d'écriture détenant actuellement le verrou.

Dans le noyau, le verrou lecture-écriture est défini comme suit :

struct rw_semaphore {
    long            count;
    struct list_head    wait_list;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
    struct lockdep_map  dep_map;
#endif
};

L'utilisation des verrous en lecture-écriture est également relativement simple. Il suffit généralement d'appeler trois fonctions pour l'exécuter :

init_rwsem(struct rw_semaphore *sem)：函数用于初始化读写锁
down_read(struct rw_semaphore *sem)：函数用于获取读锁
up_read(struct rw_semaphore *sem)：函数用于释放读锁
down_write(struct rw_semaphore *sem)：函数用于获取写锁
up_write(struct rw_semaphore *sem)：函数用于释放写锁

6. Spinlock

Un spin lock est un verrou qui protège les ressources partagées. Il occupera le CPU en attendant. Les verrous tournants conviennent aux situations dans lesquelles la section critique du code est relativement petite et le temps exclusif de la ressource partagée est relativement court, de sorte que la surcharge liée au changement de contexte puisse être évitée. Les verrous rotatifs ne peuvent pas être utilisés dans les sections critiques du code qui nécessitent une mise en veille, car le verrou tournant occupera toujours le processeur pendant la veille.

Dans le noyau Linux, les verrous tournants utilisent des fonctions spinlock_t类型表示，可以通过spin_lock()和spin_unlock() pour les utiliser.

spin_lock_init(spinlock_t *lock)：用于初始化自旋锁，将自旋锁的初始状态设置为未加锁状态。
spin_lock(spinlock_t *lock)：用于获得自旋锁，如果自旋锁已经被占用，则当前进程会自旋等待，直到自旋锁可用。
spin_trylock(spinlock_t *lock)：用于尝试获取自旋锁，如果自旋锁当前被占用，则返回0，否则返回1。
spin_unlock(spinlock_t *lock)：用于释放自旋锁。

Lorsque vous utilisez des verrous rotatifs, vous devez faire attention aux points suivants :

• 自旋锁只适用于临界区代码比较短的情况，因为自旋等待的过程会占用CPU资源。
• 自旋锁不可重入，也就是说，如果一个进程已经持有了自旋锁，那么它不能再次获取该自旋锁。
• 在持有自旋锁的情况下，应该尽量避免调用可能会导致调度的内核函数，比如睡眠函数，因为这可能会导致死锁的发生。
• 在使用自旋锁的时候，应该尽量避免嵌套使用不同类型的锁，比如自旋锁和读写锁，因为这可能会导致死锁的发生。
• 当临界区代码较长或者需要睡眠时，应该使用信号量或者读写锁来代替自旋锁。

七、信号量（semaphore）

信号量是一种更高级的锁机制，它可以控制对共享资源的访问次数。信号量可分为二元信号量和计数信号量。二元信号量只有0和1两种状态，常用于互斥锁的实现；计数信号量则可以允许多个进程同时访问同一共享资源，只要它们申请信号量的数量不超过该资源所允许的最大数量。

在Linux内核中，信号量使用struct semaphore结构表示，可以通过down()和up()函数对其进行操作。

void sema_init(struct semaphore *sem, int val)：初始化一个信号量，val参数表示初始值。
void down(struct semaphore *sem)：尝试获取信号量，如果信号量值为 0，调用进程将被阻塞。
int down_interruptible(struct semaphore *sem)：尝试获取信号量，如果信号量值为 0，调用进程将被阻塞，并可以被中断。
int down_trylock(struct semaphore *sem)：尝试获取信号量，如果信号量值为 0，则立即返回，否则返回错误。
void up(struct semaphore *sem)：释放信号量，将信号量的值加 1，并唤醒可能正在等待信号量的进程。

八、该如何选择正确的锁

当需要对共享资源进行访问和修改时，我们通常需要采用同步机制来保证数据的一致性和正确性，其中锁是最基本的同步机制之一。不同类型的锁适用于不同的场景。

互斥锁适用于需要保护共享资源，只允许一个线程或进程访问共享资源的场景。例如，当一个线程正在修改一个数据结构时，其他线程必须等待该线程释放锁后才能修改该数据结构。

读写锁适用于共享资源的读写操作频繁且读操作远大于写操作的场景。读写锁允许多个线程同时读取共享资源，但只允许一个线程写入共享资源。例如，在一个数据库管理系统中，读取操作比写入操作频繁，使用读写锁可以提高系统的并发性能。

自旋锁适用于保护共享资源的访问时间很短的场景，当线程需要等待的时间很短时，自旋锁比互斥锁的性能更好。例如，在访问共享资源时需要进行一些简单的操作，如对共享资源进行递增或递减等操作。

信号量适用于需要协调多个线程或进程对共享资源的访问的场景，允许多个线程或进程同时访问共享资源，但同时访问的线程或进程数量有限。例如，在一个并发下载系统中，可以使用信号量来限制同时下载的文件数量。

举个生活中的例子：当我们在买咖啡的时候，柜台前可能会有一个小桶，上面写着“请取走您需要的糖果，每人一颗”这样的字样。这个小桶就是一个信号量，它限制了每个人能够取走的糖果的数量，从而保证了公平性。

如果我们把这个小桶换成互斥锁，那么就可以只允许一个人在柜台前取走糖果。如果使用读写锁，那么在非高峰期的时候，多个人可以同时取走糖果，但在高峰期时只允许一个人取走。

Et si nous remplaçons ce fût par un verrou rotatif, alors lorsque quelqu'un enlève les bonbons, d'autres devront attendre là jusqu'à ce que les bonbons soient emportés. Cela peut créer une situation dans laquelle du temps est perdu parce que quelqu'un d'autre peut avoir des problèmes plus urgents à régler.

9.Résumé

Dans le noyau Linux, il existe quatre verrous courants : les verrous mutex, les verrous en lecture-écriture, les verrous rotatifs et les sémaphores. Ces verrous conviennent à différents scénarios et les développeurs doivent choisir les verrous appropriés en fonction de la situation réelle pour garantir l'exactitude et les performances de l'accès simultané.

Ce qui précède est le contenu détaillé de. pour plus d'informations, suivez d'autres articles connexes sur le site Web de PHP en chinois!