Linux 中主要有哪几种内核锁?

封面图 • 2025-11-18 • Linux

在 Linux 内核中，为了实现多线程和多处理器环境下的同步与互斥，提供了多种**内核锁机制**（也称为**同步原语**）。这些锁机制根据不同的使用场景和性能需求而设计。以下是 Linux 内核中常见的几种内核锁：

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### 一、基本锁类型

#### 1. **自旋锁（Spinlock）**
- **作用**：用于保护共享资源，防止多个 CPU 同时访问。
- **特点**：
  - 在获取锁失败时，会“自旋”等待（忙等），不会让出 CPU。
  - 适用于**短时间持有锁**的场合。
  - 可以在中断上下文中使用（但需要关闭中断）。
- **函数**：
  ```c
  spinlock_t lock;
  spin_lock(&lock);   // 获取锁
  spin_unlock(&lock); // 释放锁
  ```
- **变种**：
  - `spin_lock_irqsave()` / `spin_unlock_irqrestore()`：保存并恢复中断状态。
  - `spin_lock_bh()` / `spin_unlock_bh()`：禁用软中断。

#### 2. **读写锁（Read-Write Lock）**
- **作用**：允许多个读者同时访问，但只允许一个写者独占访问。
- **适用场景**：读多写少的场景。
- **函数**：
  ```c
  rwlock_t lock;
  read_lock(&lock);    // 读者获取锁
  read_unlock(&lock);
  write_lock(&lock);   // 写者获取锁
  write_unlock(&lock);
  ```

#### 3. **原子操作（Atomic Operations）**
- **作用**：对变量进行原子性的操作（如加减、比较交换等）。
- **适用场景**：不需要锁的简单同步操作。
- **示例**：
  ```c
  atomic_t count = ATOMIC_INIT(0);
  atomic_inc(&count);     // 原子加1
  atomic_dec_and_test(&count); // 原子减1，并判断是否为0
  ```

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### 二、更高级的同步机制

#### 4. **互斥锁（Mutex）**
- **作用**：保护共享资源，确保同一时间只有一个线程可以访问。
- **特点**：
  - 在获取锁失败时会**睡眠**，而不是忙等。
  - 不适合在中断上下文中使用。
- **函数**：
  ```c
  struct mutex lock;
  mutex_lock(&lock);     // 获取锁
  mutex_unlock(&lock);   // 释放锁
  ```

#### 5. **信号量（Semaphore）**
- **作用**：控制对共享资源的访问，支持多个并发访问。
- **特点**：
  - 类似于计数器，可允许多个进程/线程同时访问。
  - 通常用于进程间同步或资源池管理。
- **函数**：
  ```c
  struct semaphore sem;
  down(&sem);            // 获取信号量
  up(&sem);              // 释放信号量
  ```

#### 6. **完成量（Completion）**
- **作用**：用于**同步进程之间的执行顺序**。
- **特点**：
  - 一个任务完成后通知另一个任务。
  - 通常用于异步操作完成后的通知。
- **函数**：
  ```c
  DECLARE_COMPLETION(my_completion);
  complete(&my_completion); // 完成
  wait_for_completion(&my_completion); // 等待完成
  ```

#### 7. **顺序锁（Seqlock）**
- **作用**：适用于**读多写少**的场景，且写操作不频繁。
- **特点**：
  - 读操作可以不加锁，但需要检查版本号。
  - 写操作需要加锁，避免数据不一致。
- **函数**：
  ```c
  seqlock_t lock;
  write_seqlock(&lock);
  write_sequnlock(&lock);
  read_seqbegin(&lock);
  read_seqretry(&lock, seq);
  ```

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### 三、其他特殊锁

#### 8. **RCU（Read-Copy-Update）**
- **作用**：用于**高效地处理读多写少的场景**，尤其适用于高并发系统。
- **特点**：
  - 读者无需加锁，写者通过复制数据结构来更新。
  - 写操作可能阻塞一段时间，直到所有读者完成。
- **适用场景**：网络协议栈、文件系统等高性能场景。

#### 9. **大内核锁（Big Kernel Lock, BKL）**
- **作用**：旧版 Linux 中用于全局锁，防止多个 CPU 并发访问。
- **注意**：现代 Linux 已逐渐弃用，不再推荐使用。

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### 四、总结对比表

| 锁类型         | 是否忙等 | 是否可中断 | 是否适合中断上下文 | 适用场景             |
|----------------|----------|------------|--------------------|----------------------|
| 自旋锁         | 是       | 否         | 是                 | 短时锁定、中断上下文 |
| 读写锁         | 否       | 否         | 是                 | 读多写少             |
| 互斥锁         | 否       | 是         | 否                 | 一般同步             |
| 信号量         | 否       | 是         | 否                 | 资源计数、进程间同步 |
| 完成量         | 否       | 是         | 否                 | 异步通知             |
| 顺序锁         | 否       | 否         | 是                 | 读多写少             |
| RCU            | 否       | 是         | 否                 | 高性能读多写少       |

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如果你有特定的使用场景（比如驱动开发、内核模块、并发编程等），我可以进一步为你推荐合适的锁类型。