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舊的信號量接口
互斥體接口代替了舊的信號量接口(semaphore)。互斥體接口是從-rt樹演化而來的，在2.6.16內(nèi)核中被融入主線內(nèi)核。
盡管如此，但是舊的信號量仍然在內(nèi)核和驅(qū)動(dòng)程序中廣泛使用。信號量接口的基本用法如下：
#include <asm/semaphore.h> /* Architecture dependent header */
/* Statically declare a semaphore. To dynamically
create a semaphore, use init_MUTEX() */
static DECLARE_MUTEX(mysem);
down(&mysem); /* Acquire the semaphore */
/* ... Critical Section code ... */
up(&mysem); /* Release the semaphore */
1. 案例1：進(jìn)程上下文，單CPU，非搶占內(nèi)核
這種情況最為簡單，不需要加鎖，因此不再贅述。
2. 案例2：進(jìn)程和中斷上下文，單CPU，非搶占內(nèi)核
在這種情況下，為了保護(hù)臨界區(qū)，僅僅需要禁止中斷。如圖2-4所示，假定進(jìn)程上下文的執(zhí)行單元A、B以及中斷上下文的執(zhí)行單元C都企圖進(jìn)入相同的臨界區(qū)。
由于執(zhí)行單元C總是在中斷上下文執(zhí)行，它會(huì)優(yōu)先于執(zhí)行單元A和B，因此，它不用擔(dān)心保護(hù)的問題。執(zhí)行單元A和B也不必關(guān)心彼此會(huì)被互相打斷，因?yàn)閮?nèi)核是非搶占的。因此，執(zhí)行單元A和B僅僅需要擔(dān)心C會(huì)在它們進(jìn)入臨界區(qū)的時(shí)候強(qiáng)行進(jìn)入。為了實(shí)現(xiàn)此目的，它們會(huì)在進(jìn)入臨界區(qū)之前禁止中斷：
Point A：
local_irq_disable(); /* Disable Interrupts in local CPU */
/* ... Critical Section ... */
local_irq_enable(); /* Enable Interrupts in local CPU */
但是，如果當(dāng)執(zhí)行到Point A的時(shí)候已經(jīng)被禁止，local_irq_enable()將產(chǎn)生副作用，它會(huì)重新使能中斷，而不是恢復(fù)之前的中斷狀態(tài)。可以這樣修復(fù)它：
unsigned long flags;
Point A:
local_irq_save(flags); /* Disable Interrupts */
/* ... Critical Section ... */
local_irq_restore(flags); /* Restore state to what it was at Point A */
不論P(yáng)oint A的中斷處于什么狀態(tài)，上述代碼都將正確執(zhí)行。
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3. 案例3：進(jìn)程和中斷上下文，單CPU，搶占內(nèi)核
如果內(nèi)核使能了搶占，僅僅禁止中斷將無法確保對臨界區(qū)的保護(hù)，因?yàn)榱硪粋�(gè)處于進(jìn)程上下文的執(zhí)行單元可能會(huì)進(jìn)入臨界區(qū)。重新回到圖2-4，現(xiàn)在，除了C以外，執(zhí)行單元A和B必須提防彼此。顯而易見，解決該問題的方法是在進(jìn)入臨界區(qū)之前禁止內(nèi)核搶占、中斷，并在退出臨界區(qū)的時(shí)候恢復(fù)內(nèi)核搶占和中斷。因此，執(zhí)行單元A和B使用了自旋鎖API的irq變體：
unsigned long flags;
Point A:
/* Save interrupt state.
* Disable interrupts - this implicitly disables preemption */
spin_lock_irqsave(&mylock, flags);
/* ... Critical Section ... */
/* Restore interrupt state to what it was at Point A */
spin_unlock_irqrestore(&mylock, flags);
我們不需要在最后顯示地恢復(fù)Point A的搶占狀態(tài)，因?yàn)閮?nèi)核自身會(huì)通過一個(gè)名叫搶占計(jì)數(shù)器的變量維護(hù)它。在搶占被禁止時(shí)(通過調(diào)用preempt_disable())，計(jì)數(shù)器值會(huì)增加;在搶占被使能時(shí)(通過調(diào)用preempt_enable())，計(jì)數(shù)器值會(huì)減少。只有在計(jì)數(shù)器值為0的時(shí)候，搶占才發(fā)揮作用。
4. 案例4：進(jìn)程和中斷上下文，SMP機(jī)器，搶占內(nèi)核
現(xiàn)在假設(shè)臨界區(qū)執(zhí)行于SMP機(jī)器上，而且你的內(nèi)核配置了CONFIG_SMP和CONFIG_PREEMPT。
到目前為止討論的場景中，自旋鎖原語發(fā)揮的作用僅限于使能和禁止搶占和中斷，時(shí)間的鎖功能并未被完全編譯進(jìn)來。在SMP機(jī)器內(nèi)，鎖邏輯被編譯進(jìn)來，而且自旋鎖原語確保了SMP安全性。SMP使能的含義如下：
unsigned long flags;
Point A:
/*
- Save interrupt state on the local CPU
- Disable interrupts on the local CPU. This implicitly disables preemption.
- Lock the section to regulate access by other CPUs
*/
spin_lock_irqsave(&mylock, flags);
/* ... Critical Section ... */
/*
- Restore interrupt state and preemption to what it
was at Point A for the local CPU
- Release the lock
*/
spin_unlock_irqrestore(&mylock, flags);
在SMP系統(tǒng)上，獲取自旋鎖時(shí)，僅僅本CPU上的中斷被禁止。因此，一個(gè)進(jìn)程上下文的執(zhí)行單元(圖2-4中的執(zhí)行單元A)在一個(gè)CPU上運(yùn)行的同時(shí)，一個(gè)中斷處理函數(shù)(圖2-4中的執(zhí)行單元C)可能運(yùn)行在另一個(gè)CPU上。非本CPU上的中斷處理函數(shù)必須自旋等待本CPU上的進(jìn)程上下文代碼退出臨界區(qū)。中斷上下文需要調(diào)用spin_lock()/spin_unlock()：
spin_lock(&mylock);
/* ... Critical Section ... */
spin_unlock(&mylock);
除了有irq變體以外，自旋鎖也有底半部(BH)變體。在鎖被獲取的時(shí)候，spin_lock_bh()會(huì)禁止底半部，而spin_unlock_bh()則會(huì)在鎖被釋放時(shí)重新使能底半部。我們將在第4章討論底半部。
-rt樹
實(shí)時(shí)(-rt)樹，也被稱作CONFIG_PREEMPT_RT補(bǔ)丁集，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)核中一些針對低延時(shí)的修改。該補(bǔ)丁集可以從www.kernel.org/pub/linux/kernel/projects/rt下載，它允許內(nèi)核的大部分位置可被搶占，但是用自旋鎖代替了一些互斥體。它也合并了一些高精度的定時(shí)器。數(shù)個(gè)-rt功能已經(jīng)被融入了主線內(nèi)核。詳細(xì)的文檔見http://rt.wiki.kernel.org/。
為了提高性能，內(nèi)核也定義了一些針對特定環(huán)境的特定的鎖原語。使能適用于代碼執(zhí)行場景的互斥機(jī)制將使代碼更高效。下面來看一下這些特定的互斥機(jī)制。