Linux 内核同步机制深度解析 (基于 Linux 6.6)

引言：为什么需要内核锁？

在单处理器时代，内核通过禁用中断来保证临界区的原子性。然而，在现代多核（SMP）、抢占式（PREEMPT）和实时（RT）内核中，情况变得复杂得多：

• 多核并发：多个 CPU 核心可能同时访问共享数据。
• 任务抢占：高优先级任务可以抢占正在执行低优先级任务的 CPU。
• 中断上下文：硬件中断可以随时打断当前执行流。

这些场景都可能导致竞态条件（Race Condition），即程序的执行结果依赖于多个执行流的相对时序，从而引发数据损坏、系统崩溃等严重问题。内核锁就是为了解决这些问题而生的同步原语，它们是构建可靠、高性能、可扩展操作系统的基础。

一、目录概述：内核同步的“武器库”

kernel/locking 目录是 Linux 内核并发控制的心脏，它并非一个单一的实现，而是一个针对不同场景优化的同步原语家族。理解其分类是学习的第一步。

1.1 主要功能分类与背后的设计哲学

第一类：基础同步原语 (spinlock.c, mutex.c, rwsem.c, semaphore.c)

这些是内核中最常用、最基础的锁，每种都针对特定的使用模式进行了优化。

• 自旋锁 (Spinlock – spinlock.c):
  • 核心原理：当一个 CPU 尝试获取已被持有的自旋锁时，它不会睡眠，而是在一个忙等待循环（Busy-wait Loop）中不断重试（“自旋”）。这要求临界区必须非常短小，且不能包含任何可能导致睡眠的操作（如分配内存、I/O 等）。
  • 设计思想：适用于中断上下文或持有时间极短的临界区。其优势在于避免了进程切换的巨大开销，但代价是浪费 CPU 周期。在单核非抢占内核中，自旋锁通常被编译为空操作，因为不存在真正的并发。
• 互斥锁 (Mutex – mutex.c):
  • 核心原理：一种睡眠锁（Sleeping Lock）。当无法获取锁时，调用者会进入阻塞状态，并被放入该锁的等待队列中。当锁被释放时，调度器会唤醒等待队列中的一个任务。这允许临界区执行更复杂的操作（如可能睡眠的函数）。
  • 设计思想