作者：杨沙洲
本文将Linux内核中用于同步的几种机制集中起来分析，强调了它们之间在实现和使用上的不同。
同步通常是为了达到多线程协同的目的而设计的一种机制，通常包含异步信号机制和互斥机制作为其实现的底层。在Linux 2.4内核中也有相应的技术实现，包括信号量、自旋锁、原子操作和等待队列，其中原子操作和等待队列又是实现信号量的底层。
一. 等待队列和异步信号
wait queue很早就作为一个基本的功能单位出现在Linux内核里了，它以队列为基础数据结构，与进程调度机制紧密结合，能够用于实现核心的异步事件通知机制。我们从它的使用范例着手，看看等待队列是如何实现异步信号功能的。
在核心运行过程中，经常会因为某些条件不满足而需要挂起当前线程，直至条件满足了才继续执行。在2.4内核中提供了一组新接口来实现这样的功能，下面的代码节选自kernel/printk.c：
unsigned long log_size;
1: DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(log_wait);...
4: spinlock_t console_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;...
int do_syslog(int type,char *buf,int len){
...
2: error=wait_event_interruptible(log_wait,log_size);
if(error)
goto out;
...
5: spin_lock_irq(&console_lock);
...
log_size--;
...
6: spin_unlock_irq(&console_lock);
...
}
asmlinkage int printk(const char *fmt,...){
...
7: spin_lock_irqsave(↦console_lock,flags);
...
log_size++;...
8: spin_unlock_irqrestore(&console_lock,flags);
3: wake_up_interruptible(↦log_wait);
...
}
这段代码实现了printk调用和syslog之间的同步，syslog需要等待printk送数据到缓冲区，因此，在2:处等待log_size非0；而printk一边传送数据，一边增加log_size的值，完成后唤醒在log_wait上等待的所有线程（这个线程不是用户空间的线程概念，而是核内的一个执行序列）。执行了3:的wake_up_interruptible()后，2:处的wait_event_interruptible()返回0，从而进入syslog的实际动作。
1:是定义log_wait全局变量的宏调用。
在实际操作log_size全局变量的时候，还使用了spin_lock自旋锁来实现互斥，关于自旋锁，这里暂不作解释，但从这段代码中已经可以清楚的知道它的使用方法了。
所有wait queue使用上的技巧体现在wait_event_interruptible()的实现上，代码位于include/linux/sched.h中，前置数字表示行号：
779 #define __wait_event_interruptible(wq, condition, ret) 780 do { 781 wait_queue_t __wait; 782 init_waitqueue_entry(&__wait, current); 783 784 add_wait_queue(&wq, &__wait); 785 for (;;) { 786 set_current_state(TASK_INTERRUPTIBLE); 787 if (condition) 788 break; 789 if (!signal_pending(current)) { 790 schedule(); 791 continue; 792 } 793 ret = -ERESTARTSYS; 794 break; 795 } 796 current->state = TASK_RUNNING; 797 remove_wait_queue(&wq, &__wait); 798 } while (0)
799
800 #define wait_event_interruptible(wq, condition) 801 ({ 802 int __ret = 0; 803 if (!(condition)) 804 __wait_event_interruptible(wq, condition, __ret); 805 __ret; 806 })
在wait_event_interruptible()中首先判断condition是不是已经满足，如果是则直接返回0，否则调用__wait_event_interruptible()，并用__ret来存放返回值。__wait_event_interruptible()首先定义并初始化一个wait_queue_t变量__wait，其中数据为当前进程结构current（struct task_struct），并把__wait入队。在无限循环中，__wait_event_interruptible()将本进程置为可中断的挂起状态，反复检查condition是否成立，如果成立则退出，如果不成立则继续休眠；条件满足后，即把本进程运行状态置为运行态，并将__wait从等待队列中清除掉，从而进程能够调度运行。如果进程当前有异步信号（POSIX的），则返回-ERESTARTSYS。
挂起的进程并不会自动转入运行的，因此，还需要一个唤醒动作，这个动作由wake_up_interruptible()完成，它将遍历作为参数传入的log_wait等待队列，将其中所有的元素（通常都是task_struct）置为运行态，从而可被调度到，执行__wait_event_interruptible()中的代码。
DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(log_wait)经过宏展开后就是定义了一个log_wait等待队列头变量：
struct __wait_queue_head log_wait = {
lock: SPIN_LOCK_UNLOCKED,
task_list: { ↦log_wait.task_list, &log_wait.task_list }
}
其中task_list是struct list_head变量，包括两个list_head指针，一个next、一个prev，这里把它们初始化为自身，属于队列实现上的技巧，其细节可以参阅关于内核list数据结构的讨论，add_wait_queue()和remove_wait_queue()就等同于list_add()和list_del()。
wait_queue_t结构在include/linux/wait.h中定义，关键元素即为一个struct task_struct变量表征当前进程。
除了wait_event_interruptible()/wake_up_interruptible()以外，与此相对应的还有wait_event()和wake_up()接口，interruptible是更安全、更常用的选择，因为可中断的等待可以接收信号，从而挂起的进程允许被外界kill。
wait_event*()接口是2.4内核引入并推荐使用的，在此之前，最常用的等待操作是interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *wq)，当然，与此配套的还有不可中断版本sleep_on()，另外，还有带有超时控制的*sleep_on_timeout()。sleep_on系列函数的语义比wait_event简单，没有条件判断功能，其余动作与wait_event完全相同，也就是说，我们可以用interruptible_sleep_on()来实现wait_event_interruptible()（仅作示意〉：
do{
interruptible_sleep_on(&log_wait);
if(condition)
break;
}while(1);
相对而言，这种操作序列有反复的入队、出队动作，更加耗时，而很大一部分等待操作的确是需要判断一个条件是否满足的，因此2.4才推荐使用wait_event接口。
在wake_up系列接口中，还有一类wake_up_sync()和wake_up_interruptible_sync()接口，保证调度在wake_up返回之后进行。
二. 原子操作和信号量
POSIX有信号量，SysV IPC有信号量，核内也有信号量，接口很简单，一个down()，一个up()，分别对应P操作和V操作，down()调用可能引起线程挂起，因此和sleep_on类似，也有interruptible系列接口。down意味着信号量减1，up意味着信号量加1，这两个操作显然需要互斥。在Linux 2.4中，并没有如想象中的用锁实现，而是使用了原子操作。
在include/asm/atomic.h中定义了一系列原子操作，包括原子读、原子写、原子加等等，大多是直接用汇编语句来实现的，这里就不详细解释。
我们从信号量数据结构开始，它定义在include/asm/semaphore.h中：
struct semaphore {
atomic_t count;
int sleepers;
wait_queue_head_t wait;
}
down()操作可以理解为申请资源，up()操作可以理解为释放资源，因此，信号量实际表示的是资源的数量以及是否有进程正在等待。在semaphore结构中，count相当于资源计数，为正数或0时表示可用资源数，-1则表示没有空闲资源且有等待进程。而等待进程的数量并不关心。这种设计主要是考虑与信号量的原语相一致，当某个进程执行up()函数释放资源，点亮信号灯时，如果count恢复到0，则表示尚有进程在等待该资源，因此执行唤醒操作。一个典型的down()-up()流程是这样
