第 2 章 内核中的锁

本章由 FreeBSD 下一代 SMP 项目维护。

本文档概述了 FreeBSD 内核中用于实现有效多处理的锁机制。锁定可以通过多种方式实现。数据结构可以通过互斥锁（mutex）或 lockmgr(9) 锁来保护。少数变量则仅通过始终使用原子操作访问来获得保护。

2.1. 互斥锁（Mutexes）

互斥锁（mutex）仅仅是用来保证互斥性的锁。具体来说，互斥锁一次只能由一个实体持有。如果其他实体希望获取已被持有的互斥锁，它必须等待该互斥锁释放。在 FreeBSD 内核中，互斥锁由进程持有。

互斥锁可以递归获取，但旨在短时间持有。具体来说，持有互斥锁时不能休眠。如果需要在休眠期间持有锁，请使用 lockmgr(9) 锁。

每个互斥锁有几个重要属性：

• 变量名：内核源代码中 struct mtx 变量的名称。
• 逻辑名称：通过 mtx_init 分配给它的互斥锁名称。此名称会显示在 KTR 跟踪消息和 witness 错误及警告中，用于区分 witness 代码中的互斥锁。
• 类型：互斥锁的类型，使用 MTX_* 标志表示。每个标志的含义与 mutex(9) 中所述含义相关。

  • MTX_DEF：睡眠互斥锁
  • MTX_SPIN：自旋互斥锁
  • MTX_RECURSE：此互斥锁允许递归
• 保护对象：此条目所保护的数据结构或数据结构成员的列表。对于数据结构成员，名称格式为 结构体名.成员名。
• 依赖函数：只有在持有此互斥锁时，才能调用的函数。

表 1. 互斥锁列表

变量名	逻辑名称	类型	保护对象	依赖函数
sched_lock	"sched lock"	MTX_SPIN | MTX_RECURSE	_gmonparam, cnt.v_swtch, cp_time, curpriority, mtx.mtx_blocked, mtx.mtx_contested, proc.p_procq, proc.p_slpq, proc.p_sflag, proc.p_stat, proc.p_estcpu, proc.p_cpticks, proc.p_pctcpu, proc.p_wchan, proc.p_wmesg, proc.p_swtime, proc.p_slptime, proc.p_runtime, proc.p_uu, proc.p_su, proc.p_iu, proc.p_uticks, proc.p_sticks, proc.p_iticks, proc.p_oncpu, proc.p_lastcpu, proc.p_rqindex, proc.p_heldmtx, proc.p_blocked, proc.p_mtxname, proc.p_contested, proc.p_priority, proc.p_usrpri, proc.p_nativepri, proc.p_nice, proc.p_rtprio, pscnt, slpque, itqueuebits, itqueues, rtqueuebits, rtqueues, queuebits, queues, idqueuebits, idqueues, switchtime, switchticks	setrunqueue, remrunqueue, mi_switch, chooseproc, schedclock, resetpriority, updatepri, maybe_resched, cpu_switch, cpu_throw, need_resched, resched_wanted, clear_resched, aston, astoff, astpending, calcru, proc_compare
vm86pcb_lock	"vm86pcb lock"	MTX_DEF	vm86pcb	vm86_bioscall
Giant	"Giant"	MTX_DEF | MTX_RECURSE	几乎所有内容	很多
callout_lock	"callout lock"	MTX_SPIN | MTX_RECURSE	callfree, callwheel, nextsoftcheck, proc.p_itcallout, proc.p_slpcallout, softticks, ticks

2.2. 共享独占锁（Shared Exclusive Locks）

这些锁提供基本的读写锁类型功能，可以由睡眠中的进程持有。目前由 lockmgr(9) 提供支持。

表 2. 共享独占锁列表

变量名	保护对象
allproc_lock	allproc, zombproc, pidhashtbl, proc.p_list, proc.p_hash, nextpid
proctree_lock	proc.p_children, proc.p_sibling

2.3. 原子保护变量（Atomically Protected Variables）

原子保护变量是一种特殊的变量，不通过显式锁保护，而是其所有数据访问都使用 atomic(9) 中所述的特殊原子操作。以这种方式处理的变量很少，尽管其他同步原语（如互斥锁）是通过原子保护变量实现的。

• mtx.mtx_lock