Linux内核为了解决并发访问共享资源时带来的数据不一致的问题提供了锁机制。下面可以看一下实际的例子共享访问问题假设有两个中断处理程序(或者两个CPU核心)同时修改一个全局变量countint count 10; void isr1(void) { count; } void isr2(void) { count; }在C语言中count看起来是一行代码实际在CPU层面被翻译成3条指令1、从内存取出count的值 (读)2、将count的值加1(改)3、将count的新值重新写会内存 (写)当两个CPU同时访问时会发生以下事情时刻 CPU0中断0 CPU1中断1 T1 LOAD count (10) T2 LOAD count (10) T3 ADD (10 → 11) T4 ADD (10 → 11) ← 基于旧值 T5 STORE count (11) T6 STORE count (11) ← 覆盖 结果执行了两次 count期望 12实际得到 11 ❌以上的情况就是经典的访问共享数据产生的问题。如果没有锁访问共享数据会导致数据错乱。为了解决此类Linux内核实现了互斥锁和自旋锁两种机制。实际上锁和解锁的实现依赖于CPU的硬件架构不同架构的CPU在实现锁的机制上都会不同主要是通过操作CPU硬件实现锁功能。而内核则是在这些硬件上重新进行封装以匹配不同的CPU。自旋锁(spinlock)自旋锁是一种忙等待的锁机制。当一个线程尝试获取已被其他线程持有的自旋锁时它不会进入睡眠状态而是在循环中不断检查锁的状态就像在原地“自旋”直到锁被释放。自旋锁初始化自旋锁初始化有两种初始化分别是静态初始化和动态初始化// 直接定义并初始化一个名为 my_lock 的自旋锁 DEFINE_SPINLOCK(my_lock); spinlock_t my_lock; // 1. 先定义 spin_lock_init(my_lock); // 2. 后初始化上锁上锁函数调度/睡眠备注spin_lock忙等待只能在进程上下文使用不能用在中断上下文spin_lock_irq忙等待需要禁用中断中断状态会被覆盖spin_lock_irqsave忙等待保存中断状态并禁用本地中断推荐使用spin_trylock非阻塞尝试获取自旋锁如果获取失败则返回spin_trylock_irq非阻塞跟spin_lock_irq一样获取失败返回spin_trylock_irqsave非阻塞跟spin_trylock_irqsave一样获取失败返回解锁解锁函数备注spin_unlock释放锁spin_unlock_irq释放锁并恢复本地中断spin_unlock_irqrestore释放锁恢复中断状态恢复本地中断推荐使用注意事项持有自旋锁期间绝对不能休眠spin_lock(lock); // ❌ 错误以下行为都会睡眠 kmalloc(..., GFP_KERNEL); // 可能睡眠 copy_from_user(); // 可能缺页睡眠 msleep(100); // 显式睡眠 mutex_lock(mutex); // 可能睡眠 spin_unlock(lock);中断上下文使用自旋锁需要关中断如果锁可能在中断处理程序中被获取那么在进程上下文中获取该锁时必须先禁用本地中断// ❌ 错误可能死锁 spin_lock(lock); // 此时中断发生中断处理程序也尝试 spin_lock(lock) // 进程上下文持有锁中断等待锁 → 死锁 // ✅ 正确 spin_lock_irqsave(lock, flags); /* 临界区此时不会被打断 */ spin_unlock_irqrestore(lock, flags);自旋锁不能递归void func1(void) { spin_lock(lock); func2(); // func2 也尝试获取 lock → 死锁 spin_unlock(lock); } void func2(void) { spin_lock(lock); // ❌ 已经持有再次获取 → 死锁 spin_unlock(lock); }内核推荐使用spin_lock_irqsave和spin_unlock_irqrestore这两个加锁和解锁函数这样无论是在进程上下文还是中断上下文都可以安全使用自旋锁互斥锁互斥锁是一种睡眠等待的锁机制。当一个线程尝试获取已被其他线程持有的互斥锁时它不会像自旋锁那样自旋空耗CPU而是主动让出CPU进入睡眠状态直到锁被释放后被唤醒。互斥锁初始化互斥锁初始化有两种初始化分别是静态初始化和动态初始化// 直接定义并初始化一个名为 my_mutex 的互斥锁 DEFINE_MUTEX(my_mutex); struct mutex my_mutex; // 1. 先定义 mutex_init(my_mutex); // 2. 后初始化上锁上锁函数备注mutex_lock如果锁被持有则进行睡眠不可被中断mutex_lock_interruptible如果锁被持有则进行睡眠可被信号打断mutex_trylock如果锁被持有则立刻返回不睡眠解锁解锁函数备注mutex_unlock只有一个释放互斥锁的函数注意事项持有互斥锁期间不能休眠如果持有锁的线程睡眠其他等待该锁的线程也会被阻塞可能导致长时间的等待链严重影响系统性能甚至引发优先级反转中断上下文不能使用互斥锁因为中断上下文不属于任何进程或者线程不能进行休眠和调度调用mutex_lock会导致内核崩溃。