Linux并发与竞争：从生活例子到内核实战
一、并发与竞争：多车道公路的交通问题
想象一条四车道的高速公路（多核CPU），所有车辆（线程/进程）都想通过同一个收费站（共享资源）。如果没有交通规则（同步机制），就会发生：
- 数据竞争：两辆车同时抢一个收费口，导致碰撞（数据损坏）
- 死锁：四辆车互相阻挡，形成十字死锁（deadlock）
- 饥饿：大货车长期占用车道，小车永远过不去（starvation）
二、原子操作：不可分割的收费卡
2.1 原子操作原理
就像高速公路的ETC系统，收费过程（i++这样的操作）必须一次性完成，不能被其他车辆打断。内核提供两类原子操作：
2.2 原子整形操作
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0); // 初始化原子变量
atomic_inc(&v); // v++（不可打断）
int val = atomic_read(&v); // 安全读取
生活例子：银行金库的黄金数量统计，必须整块计算，不能出现"数到一半被其他人拿走"的情况。
2.3 原子位操作
unsigned long word = 0;
set_bit(0, &word); // 第0位置1（类似|=操作）
clear_bit(1, &word); // 第1位清0
适用场景：设备寄存器位操作、标志位管理。
三、自旋锁：不停旋转的收费站岗亭
3.1 自旋锁特性
- 忙等待：获取不到锁时，CPU会"空转"（就像司机在收费口不停探头张望）
- 短期持有：适合锁持有时间短于线程切换开销的情况
DEFINE_SPINLOCK(my_lock); // 定义锁
spin_lock(&my_lock); // 获取锁
/* 临界区操作 */ // 只有一辆车能通过
spin_unlock(&my_lock); // 释放锁
3.2 锁的类型选择指南
| 锁类型 | 生活类比 | 适用场景 |
|---|---|---|
| 普通自旋锁 | 普通收费岗亭 | 单核CPU/非中断上下文 |
| IRQ自旋锁 | 应急车道专用岗亭 | 中断上下文共享数据 |
| 读写自旋锁 | ETC与人工通道分离 | 读多写少场景（如配置表） |
3.3 死锁预防（交通规则）
- 避免嵌套锁：不要在一个锁内获取另一个锁
- 统一顺序：多个锁按固定顺序获取
- 超时机制：
spin_trylock_irqsave尝试获取锁
四、信号量：停车场剩余车位显示
4.1 信号量特点
- 允许睡眠：获取不到资源时，线程可以休眠（不像自旋锁那样空转）
- 资源计数：可以管理多个同类资源（如停车场剩余车位）
struct semaphore sem;
sema_init(&sem, 5); // 初始化5个车位
down(&sem); // 获取车位（没有就睡觉）
/* 停车操作 */
up(&sem); // 释放车位
生活场景：
- 消费者生产者问题（停车场进出车辆）
- 打印机池管理（多个打印任务排队）
五、互斥体：单间厕所的门锁
5.1 互斥体特性
- 唯一访问：同一时刻只有一个线程能进入临界区
- 可睡眠：比自旋锁更适合长时间持有的场景
struct mutex my_mutex;
mutex_init(&my_mutex);
mutex_lock(&my_mutex);
/* 临界区操作 */ // 如厕所单间使用
mutex_unlock(&my_mutex);
5.2 与自旋锁的对比
| 特性 | 自旋锁 | 互斥体 |
|---|---|---|
| 等待方式 | CPU空转 | 线程休眠 |
| 开销 | 低（无上下文切换） | 高（需调度） |
| 持有时间 | 短（纳秒级） | 长（毫秒级） |
| 中断上下文 | 可用 | 不可用 |
六、实战选择流程图
graph TD
A[需要保护共享资源?] -->|是| B{临界区执行时间}
B -->|短(<10us)| C[自旋锁]
B -->|长(>10us)| D{是否在中断上下文}
D -->|是| C
D -->|否| E[互斥体]
A -->|否| F[无需同步]
C --> G{是否需要读写分离}
G -->|是| H[读写自旋锁]
G -->|否| I[普通自旋锁]
E --> J{资源是否可计数}
J -->|是| K[信号量]
J -->|否| E
七、常见错误案例
7.1 错误示范：中断中误用互斥体
// 错误代码（中断上下文不能睡眠）
irq_handler() {
mutex_lock(&lock); // 可能引发系统崩溃
/* 操作硬件寄存器 */
mutex_unlock(&lock);
}
// 正确做法（使用自旋锁）
irq_handler() {
spin_lock_irqsave(&lock, flags);
/* 操作硬件 */
spin_unlock_irqrestore(&lock, flags);
}
7.2 错误示范：忘记释放锁
void func() {
mutex_lock(&lock);
if (error) {
return; // 直接返回导致锁未释放！
}
mutex_unlock(&lock);
}
// 正确做法（使用goto统一释放）
void func() {
mutex_lock(&lock);
if (error) {
goto unlock;
}
unlock:
mutex_unlock(&lock);
}
八、性能优化技巧
减小临界区：只把必须保护的代码放在锁内
// 不好 mutex_lock(&lock); process_data(data); save_to_disk(data); mutex_unlock(&lock); // 优化后 mutex_lock(&lock); tmp = data; // 只保护数据拷贝 mutex_unlock(&lock); process_data(tmp); save_to_disk(tmp);读写分离：读多写少时用读写锁
DEFINE_RWLOCK(rwlock); // 读线程 read_lock(&rwlock); /* 只读操作 */ read_unlock(&rwlock); // 写线程 write_lock(&rwlock); /* 写操作 */ write_unlock(&rwlock);
记住关键原则：锁的粒度要尽可能小，持有时间要尽可能短。