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Original

Generic Mutex Subsystem

翻译

唐艺舟 Tang Yizhou <tangyeechou@gmail.com>

通用互斥锁子系统

初稿

Ingo Molnar <mingo@redhat.com>

更新

Davidlohr Bueso <davidlohr@hp.com>

什么是互斥锁?

在Linux内核中,互斥锁(mutex)指的是一个特殊的加锁原语,它在共享内存系统上 强制保证序列化,而不仅仅是指在学术界或类似的理论教科书中出现的通用术语“相互 排斥”。互斥锁是一种睡眠锁,它的行为类似于二进制信号量(semaphores),在 2006年被引入时[1],作为后者的替代品。这种新的数据结构提供了许多优点,包括更 简单的接口,以及在当时更少的代码量(见缺陷)。

[1] https://lwn.net/Articles/164802/

实现

互斥锁由“struct mutex”表示,在include/linux/mutex.h中定义,并在 kernel/locking/mutex.c中实现。这些锁使用一个原子变量(->owner)来跟踪 它们生命周期内的锁状态。字段owner实际上包含的是指向当前锁所有者的 struct task_struct * 指针,因此如果无人持有锁,则它的值为空(NULL)。 由于task_struct的指针至少按L1_CACHE_BYTES对齐,低位(3)被用来存储额外 的状态(例如,等待者列表非空)。在其最基本的形式中,它还包括一个等待队列和 一个确保对其序列化访问的自旋锁。此外,CONFIG_MUTEX_SPIN_ON_OWNER=y的 系统使用一个自旋MCS锁(->osq,译注:MCS是两个人名的合并缩写),在下文的 (ii)中描述。

准备获得一把自旋锁时,有三种可能经过的路径,取决于锁的状态:

  1. 快速路径:试图通过调用cmpxchg()修改锁的所有者为当前任务,以此原子化地 获取锁。这只在无竞争的情况下有效(cmpxchg()检查值是否为0,所以3个状态 比特必须为0)。如果锁处在竞争状态,代码进入下一个可能的路径。

  2. 中速路径:也就是乐观自旋,当锁的所有者正在运行并且没有其它优先级更高的 任务(need_resched,需要重新调度)准备运行时,当前任务试图自旋来获得 锁。原理是,如果锁的所有者正在运行,它很可能不久就会释放锁。互斥锁自旋体 使用MCS锁排队,这样只有一个自旋体可以竞争互斥锁。

    MCS锁(由Mellor-Crummey和Scott提出)是一个简单的自旋锁,它具有一些 理想的特性,比如公平,以及每个CPU在试图获得锁时在一个本地变量上自旋。 它避免了常见的“检测-设置”自旋锁实现导致的(CPU核间)缓存行回弹 (cacheline bouncing)这种昂贵的开销。一个类MCS锁是为实现睡眠锁的 乐观自旋而专门定制的。这种定制MCS锁的一个重要特性是,它有一个额外的属性, 当自旋体需要重新调度时,它们能够退出MCS自旋锁队列。这进一步有助于避免 以下场景:需要重新调度的MCS自旋体将继续自旋等待自旋体所有者,即将获得 MCS锁时却直接进入慢速路径。

  3. 慢速路径:最后的手段,如果仍然无法获得锁,该任务会被添加到等待队列中, 休眠直到被解锁路径唤醒。在通常情况下,它以TASK_UNINTERRUPTIBLE状态 阻塞。

虽然从形式上看,内核互斥锁是可睡眠的锁,路径(ii)使它实际上成为混合类型。通过 简单地不中断一个任务并忙着等待几个周期,而不是立即睡眠,这种锁已经被认为显著 改善一些工作负载的性能。注意,这种技术也被用于读写信号量(rw-semaphores)。

语义

互斥锁子系统检查并强制执行以下规则:

  • 每次只有一个任务可以持有该互斥锁。

  • 只有锁的所有者可以解锁该互斥锁。

  • 不允许多次解锁。

  • 不允许递归加锁/解锁。

  • 互斥锁只能通过API进行初始化(见下文)。

  • 一个任务不能在持有互斥锁的情况下退出。

  • 持有锁的内存区域不得被释放。

  • 被持有的锁不能被重新初始化。

  • 互斥锁不能用于硬件或软件中断上下文,如小任务(tasklet)和定时器。

当CONFIG DEBUG_MUTEXES被启用时,这些语义将被完全强制执行。此外,互斥锁 调试代码还实现了一些其它特性,使锁的调试更容易、更快速:

  • 当打印到调试输出时,总是使用互斥锁的符号名称。

  • 加锁点跟踪,函数名符号化查找,系统持有的全部锁的列表,打印出它们。

  • 所有者跟踪。

  • 检测自我递归的锁并打印所有相关信息。

  • 检测多任务环形依赖死锁,并打印所有受影响的锁和任务(并且只限于这些任务)。

接口

静态定义互斥锁:

DEFINE_MUTEX(name);

动态初始化互斥锁:

mutex_init(mutex);

以不可中断方式(uninterruptible)获取互斥锁:

void mutex_lock(struct mutex *lock);
void mutex_lock_nested(struct mutex *lock, unsigned int subclass);
int  mutex_trylock(struct mutex *lock);

以可中断方式(interruptible)获取互斥锁:

int mutex_lock_interruptible_nested(struct mutex *lock,
                                    unsigned int subclass);
int mutex_lock_interruptible(struct mutex *lock);

当原子变量减为0时,以可中断方式(interruptible)获取互斥锁:

int atomic_dec_and_mutex_lock(atomic_t *cnt, struct mutex *lock);

释放互斥锁:

void mutex_unlock(struct mutex *lock);

检测是否已经获取互斥锁:

int mutex_is_locked(struct mutex *lock);

缺陷

与它最初的设计和目的不同,’struct mutex’ 是内核中最大的锁之一。例如:在 x86-64上它是32字节,而 ‘struct semaphore’ 是24字节,rw_semaphore是 40字节。更大的结构体大小意味着更多的CPU缓存和内存占用。

何时使用互斥锁

总是优先选择互斥锁而不是任何其它锁原语,除非互斥锁的严格语义不合适,和/或临界区 阻止锁被共享。