Linux 커널에서 뮤텍스 잠금, 읽기-쓰기 잠금, 스핀 잠금 및 세마포어를 선택하는 방법은 무엇입니까?

1. 서문

Linux 커널에는 다양한 유형의 잠금이 있으며 모두 중요한 리소스를 보호하여 여러 스레드 또는 프로세스 간의 경합 상태를 방지함으로써 시스템의 안정성과 신뢰성을 보호하는 데 사용될 수 있습니다. 이러한 잠금 유형에는 다음이 포함됩니다: 뮤텍스 잠금(mutex）、读写锁（rwlock）、自旋锁（spinlock）和信号量（semaphore). 오늘은 Linux 커널의 다양한 잠금 장치와 실제 프로젝트에서 사용할 잠금 장치를 선택하는 방법을 소개하겠습니다.

2. 여러 유형의 자물쇠 소개

뮤텍스 잠금(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)을 사용하면 공유 리소스에 대한 액세스를 제어하여 다른 스레드나 프로세스가 안전하게 액세스할 수 있도록 할 수 있습니다.

읽기-쓰기 잠금(rwlock)은 공유 리소스에 대한 다중 스레드 액세스를 제어하는 ​​데 사용되는 동기화 메커니즘입니다. 스레드가 공유 리소스를 읽어야 할 경우 다른 스레드가 충돌 없이 동시에 리소스를 읽을 수 있도록 읽기 잠금을 획득할 수 있습니다. 스레드가 공유 리소스에 써야 할 경우 다른 스레드가 리소스에 액세스할 수 없도록 쓰기 잠금을 획득하여 데이터 무결성과 일관성을 보장할 수 있습니다.

스핀 잠금(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-waiting은 다중 스레드 동기화 문제를 해결하는 데 사용되는 간단하고 효과적인 잠금입니다. 여러 스레드가 동시에 리소스에 접근하는 것을 방지하기 위해 멀티 스레드 환경에서 공유 리소스를 보호하는 배타적 잠금입니다. 스핀 잠금의 기본 원칙은 스레드가 잠금을 획득하려고 시도할 때 성공할 때까지 계속해서 잠금을 획득하려고 시도한다는 것입니다. 이 기간 동안 스레드는 절전 상태에 들어가지 않지만 항상 대기 중입니다(busy-waiting) 상태, 스핀 잠금 이름의 유래입니다.

세마포어(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)이며, 공유 리소스에 대한 액세스가 완료되면 다른 스레드도 공유 리소스에 액세스할 수 있도록 세마포어를 해제해야 합니다.

4. 뮤텍스

Mutex 잠금은 가장 기본적인 잠금 유형으로 커널에서 널리 사용됩니다. 동시에 하나의 스레드만 보유할 수 있는 이진 잠금입니다. 스레드가 잠금을 요청할 때 잠금이 이미 사용 중인 경우 잠금이 해제될 때까지 스레드가 차단됩니다. 뮤텍스 잠금 구현은 원자 연산을 사용하므로 성능이 상대적으로 높지만 교착 상태가 발생하기 쉽습니다.

커널에서 뮤텍스 잠금은 다음과 같이 정의됩니다.

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뮤텍스 잠금 사용은 매우 간단하며 일반적으로 두 가지 함수만 호출하면 됩니다.

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5. 리더-라이터 잠금

읽기-쓰기 잠금은 여러 스레드가 동시에 공유 리소스를 읽을 수 있도록 허용하지만 하나의 스레드만 공유 리소스에 쓸 수 있도록 허용하는 특수한 유형의 잠금입니다. 읽기-쓰기 잠금 구현에서는 두 개의 카운터를 사용하여 현재 잠금을 보유하고 있는 읽기 스레드 수와 쓰기 스레드 수를 기록합니다.

커널에서 읽기-쓰기 잠금은 다음과 같이 정의됩니다.

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읽기-쓰기 잠금의 사용도 비교적 간단합니다. 일반적으로 완료하려면 세 가지 함수만 호출하면 됩니다.

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6. 스핀락

스핀 잠금은 공유 리소스를 보호하는 잠금이며 기다리는 동안 CPU를 차지합니다. 스핀 잠금은 코드의 임계 영역이 상대적으로 작고 공유 리소스의 독점 시간이 상대적으로 짧은 상황에 적합하므로 컨텍스트 전환의 오버헤드를 피할 수 있습니다. 스핀 잠금은 절전 중에 항상 CPU를 차지하므로 절전이 필요한 코드의 중요한 섹션에서는 스핀 잠금을 사용할 수 없습니다.

Linux 커널에서 스핀 잠금은 spinlock_t类型表示，可以通过spin_lock()和spin_unlock() 함수를 사용하여 작동합니다.

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스핀락을 사용할 때는 다음 사항에 주의해야 합니다.

• 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。

그리고 이 술통을 스핀락으로 교체하면 누군가가 사탕을 가져갈 때 다른 사람들은 사탕을 가져갈 때까지 그곳에서 기다려야 합니다. 다른 사람이 처리해야 할 더 긴급한 문제가 있을 수 있으므로 이는 시간 낭비로 이어질 수 있습니다.

9. 요약

Linux 커널에는 뮤텍스 잠금, 읽기-쓰기 잠금, 스핀 잠금, 세마포어라는 네 가지 일반적인 잠금이 있습니다. 이러한 잠금은 다양한 시나리오에 적합하며 개발자는 동시 액세스의 정확성과 성능을 보장하기 위해 실제 상황에 따라 적절한 잠금을 선택해야 합니다.

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