Linux 中自旋锁与信号量的区别
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一、引言
在 Linux 内核开发以及多线程编程中，自旋锁（spinlock）和信号量（semaphore）是两种常用的同步机制，用于保护共享资源和实现线程之间的同步。虽然它们都有同步的作用，但在使用场景和特性上存在着一些显著的差异。本文将详细探讨 Linux 中自旋锁和信号量的区别，帮助开发者在实际应用中选择合适的同步机制。
二、自旋锁
1.定义与原理
- 自旋锁是一种忙等待锁，当一个线程试图获取一个被占用的自旋锁时，它会一直循环（“自旋”）在那里，不断地检查锁是否可用，直到锁被释放为止。
- 自旋锁的实现通常基于原子操作，例如在多处理器系统中，通过原子的测试和设置操作来实现锁的获取和释放。
2.适用场景
- 自旋锁适用于短时间内持有锁的情况，特别是在锁被持有的时间非常短，且线程等待锁的时间预计也很短的场景下。
- 例如，在中断处理程序中，中断处理程序需要快速地获取和释放锁，以避免长时间阻塞其他中断的处理。此时，自旋锁是一个合适的选择，因为中断处理程序不能被长时间阻塞。
3.优点
- 自旋锁的优点在于它不会引起线程的上下文切换。当线程在等待自旋锁时，它不会被挂起，而是一直在 CPU 上循环等待，因此当锁很快被释放时，获取锁的延迟非常小。
- 这对于需要快速响应的场景非常重要，例如在实时系统中，或者在对性能要求非常高的关键代码路径上。
4.缺点
- 自旋锁的缺点是如果锁被长时间占用，那么等待锁的线程会一直占用 CPU 资源，导致 CPU 利用率升高，其他线程无法得到执行机会。
- 此外，在多处理器系统中，如果多个处理器上的线程同时竞争一个自旋锁，可能会导致大量的 CPU 资源浪费在自旋等待上。
三、信号量
1.定义与原理
- 信号量是一种睡眠锁，当一个线程试图获取一个被占用的信号量时，它会被挂起，进入睡眠状态，直到信号量被释放并且该线程被唤醒为止。
- 信号量通常使用一个计数器来表示可用资源的数量。当一个线程获取信号量时，计数器减一；当一个线程释放信号量时，计数器加一。如果计数器为零，那么试图获取信号量的线程将被阻塞。
2.适用场景
- 信号量适用于锁被持有的时间较长，或者线程等待锁的时间不确定的场景。
- 例如，在多个线程同时访问一个共享资源的情况下，如果访问资源的时间较长，那么使用信号量可以避免线程长时间自旋等待，从而降低 CPU 利用率。
3.优点
- 信号量的优点是它不会浪费 CPU 资源。当线程等待信号量时，它会被挂起，释放 CPU 给其他线程执行，因此在锁被长时间占用的情况下，信号量比自旋锁更加高效。
- 此外，信号量可以支持多个线程同时获取锁，只要信号量的计数器大于零即可。这在一些需要多个线程同时访问共享资源的场景下非常有用。
4.缺点
- 信号量的缺点是线程的上下文切换会带来一定的开销。当一个线程被挂起和唤醒时，需要进行上下文切换，这会消耗一定的时间和系统资源。
- 此外，信号量的实现相对复杂，需要维护一个计数器和一个等待队列，因此在一些对性能要求非常高的场景下，信号量的性能可能不如自旋锁。
四、自旋锁与信号量的区别总结
1.等待方式
自旋锁是忙等待，线程在等待锁时不会被挂起，而是一直在 CPU 上循环等待；信号量是睡眠等待，线程在等待锁时会被挂起，进入睡眠状态，直到锁被释放并且该线程被唤醒为止。
2.适用场景
自旋锁适用于锁被持有的时间很短，且线程等待锁的时间预计也很短的场景；信号量适用于锁被持有的时间较长，或者线程等待锁的时间不确定的场景。
3.CPU 利用率
自旋锁在锁被长时间占用时会导致 CPU 利用率升高，因为等待锁的线程一直在 CPU 上循环等待；信号量在锁被长时间占用时不会浪费 CPU 资源，因为等待锁的线程会被挂起，释放 CPU 给其他线程执行。
4.上下文切换
自旋锁不会引起线程的上下文切换，因此在锁很快被释放时，获取锁的延迟非常小；信号量会引起线程的上下文切换，因此在锁被长时间占用时，上下文切换的开销可能会影响系统性能。
5.实现复杂度
自旋锁的实现相对简单，通常基于原子操作；信号量的实现相对复杂，需要维护一个计数器和一个等待队列。
五、实际应用中的选择建议
六、代码实现
1.自旋锁
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/spinlock.h>
static DEFINE_SPINLOCK(my_spinlock);
static int shared_variable = 0;
static int my_init(void)
{
unsigned long flags;
spin_lock_irqsave(&my_spinlock, flags);
shared_variable++;
printk(KERN_INFO "Shared variable after increment: %d\n", shared_variable);
spin_unlock_irqrestore(&my_spinlock, flags);
return 0;
}
static void my_exit(void)
{
}
module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");分析：
DEFINE_SPINLOCK(my_spinlock);定义了一个自旋锁变量。- 在
my_init函数中，使用spin_lock_irqsave(&my_spinlock, flags);获取自旋锁，同时保存中断状态。这是为了防止在获取自旋锁的过程中被中断干扰。 - 对共享变量
shared_variable进行自增操作。 spin_unlock_irqrestore(&my_spinlock, flags);释放自旋锁并恢复中断状态。
2.信号量
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/semaphore.h>
static DEFINE_SEMAPHORE(my_semaphore);
static int shared_variable = 0;
static int my_init(void)
{
down(&my_semaphore);
shared_variable++;
printk(KERN_INFO "Shared variable after increment: %d\n", shared_variable);
up(&my_semaphore);
return 0;
}
static void my_exit(void)
{
}
module_init(my_init);
module_exit(my_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");分析：
DEFINE_SEMAPHORE(my_semaphore);定义了一个信号量变量。- 在
my_init函数中，使用down(&my_semaphore);获取信号量，如果信号量不可用，当前线程会进入睡眠状态，直到信号量被释放。 - 对共享变量
shared_variable进行自增操作。 up(&my_semaphore);释放信号量，唤醒等待该信号量的一个线程（如果有）。
七、总结
自旋锁和信号量是 Linux 中两种重要的同步机制，它们在等待方式、适用场景、CPU 利用率、上下文切换和实现复杂度等方面存在着明显的区别。在实际应用中，开发者需要根据具体的需求和场景选择合适的同步机制，以提高系统的性能和可靠性。同时，还需要注意同步机制的正确使用，避免出现死锁、饥饿等问题。
原文地址：https://blog.csdn.net/qq_38072731/article/details/143700506
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