linux 内核同步互斥技术之顺序锁

顺序锁

顺序锁区分读者和写者，和读写自旋锁相比，它的优点是不会出现写者饿死的情况。读者不会阻塞写者，读者读数据的时候写者可以写数据。顺序锁有序列号，写者把序列号加 1，如果读者检测到序列号有变化，发现写者修改了数据，将会重试，读者的代价比较高。
顺序锁支持两种类型的读者。
（1）顺序读者（ sequence readers）：不会阻塞写者，但是如果读者检测到序列号有变化，发现写者修改了数据，读者将会重试。
（2）持锁读者（ locking readers）：如果写者或另一个持锁读者正在访问临界区，持锁读者将会等待。持锁读者也会阻塞写者。这种情况下顺序锁退化为自旋锁。如果使用顺序读者，那么互斥访问的资源不能是指针，因为写者可能使指针失效，读者访问失效的指针会出现致命的错误。
顺序锁比读写自旋锁更加高效，但读写自旋锁适用于所有场合，而顺序锁不能适用于所有场合，所以顺序锁不能完全替代读写自旋锁。
顺序锁有两个版本。
（1）完整版的顺序锁提供自旋锁和序列号。
（2）顺序锁只提供序列号，使用者有自己的自旋锁。

?完整版的顺序锁

完整版的顺序锁的定义如下：
include/linux/seqlock.h
typedef struct {
? ? struct seqcount seqcount;
? ? spinlock_t lock;
} seqlock_t;

typedef struct seqcount {
? ? unsigned sequence;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
? ? struct lockdep_map dep_map;
#endif
} seqcount_t;

成员 seqcount 是序列号，成员 lock 是自旋锁。
定义并且初始化静态顺序锁的方法如下：DEFINE_SEQLOCK(x)
运行时动态初始化顺序锁的方法如下：seqlock_init(x)

顺序读者读数据的方法如下：
seqlock_t seqlock;
unsigned int seq;
do {
? ? seq = read_seqbegin(&seqlock);
? ? //读数据
} while (read_seqretry(&seqlock, seq));
首先调用函数 read_seqbegin 读取序列号，然后读数据，最后调用函数 read_seqretry 判断序列号是否有变化。如果序列号有变化，说明写者修改了数据，那么读者需要重试。
持锁读者读数据的方法如下：
seqlock_t seqlock;
read_seqlock_excl(&seqlock);
//读数据?? ?
read_sequnlock_excl(&seqlock);

函数 read_seqlock_excl 有一些变体。
（1） read_seqlock_excl_bh()：申请自旋锁，并且禁止当前处理器的软中断。
（2） read_seqlock_excl_irq()：申请自旋锁，并且禁止当前处理器的硬中断。
（3） read_seqlock_excl_irqsave()：申请自旋锁，保存当前处理器的硬中断状态，并且禁止当前处理器的硬中断。

读者还可以根据情况灵活选择：如果没有写者在写数据，那么读者成为顺序读者；如果写者正在写数据，那么读者成为持锁读者。方法如下：
seqlock_t seqlock;
unsigned int seq = 0;
do {
? ? read_seqbegin_or_lock(&seqlock, &seq);
? ? //读数据
} while (need_seqretry(&seqlock, seq));
done_seqretry(&seqlock, seq);
函数 read_seqbegin_or_lock 有一个变体。
read_seqbegin_or_lock_irqsave：如果没有写者在写数据，那么读者成为顺序读者；如果写者正在写数据，那么读者成为持锁读者，申请自旋锁，保存当前处理器的硬中断状态，并且禁止当前处理器的硬中断。

写者写数据的方法如下：
write_seqlock(&seqlock);
//写数据
write_sequnlock(&seqlock);

函数 write_seqlock 有一些变体。
（1） write_seqlock_bh()：申请写锁，并且禁止当前处理器的软中断。
（2） write_seqlock_irq()：申请写锁，并且禁止当前处理器的硬中断。
（3） write_seqlock_irqsave()：申请写锁，保存当前处理器的硬中断状态，并且禁止当前处理器的硬中断。

函数 write_seqlock 的代码如下：
include/linux/seqlock.h
static inline void write_seqlock(seqlock_t *sl)
{
? ? spin_lock(&sl->lock);
? ? write_seqcount_begin(&sl->seqcount);
}
static inline void write_seqcount_begin(seqcount_t *s)
{
? ? write_seqcount_begin_nested(s, 0);
}
static inline void write_seqcount_begin_nested(seqcount_t *s, int subclass)
{
? ? raw_write_seqcount_begin(s);
? ? …
}
static inline void raw_write_seqcount_begin(seqcount_t *s)
{
? ? s->sequence++;
? ? smp_wmb();
}

?? ?写者释放顺序锁的执行过程是：首先把序列号加 1，序列号变成偶数，然后释放自旋锁。
?

? ?只提供序列号的顺序锁

只提供序列号的顺序锁的定义如下：
include/linux/seqlock.h
typedef struct seqcount {
? ? unsigned sequence;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
? ? struct lockdep_map dep_map;
#endif
} seqcount_t;
定义并且初始化静态顺序锁的方法如下：seqcount_t x = SEQCNT_ZERO(x);
运行时动态初始化顺序锁的方法如下：seqcount_init(s)

读者读数据的方法如下：
seqcount_t sc;
unsigned int seq;
do {
? ? seq = read_seqcount_begin(&sc);
? ? //读数据
} while (read_seqcount_retry(&sc, seq));

写者写数据的方法如下：
spin_lock(&mylock);/* 假设使用者定义了自旋锁mylock */
write_seqcount_begin(&sc);
//写数据
write_seqcount_end(&sc);
spin unlock(&mylock);
?