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。有些变量则通过始终使用原子操作来访问,从而保护它们。

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拥有。如果其他实体希望获取已经被拥有的互斥锁,它必须等待直到该互斥锁被释放。在 FreeBSD 内核中,互斥锁由进程拥有。

互斥锁可以递归获取,但它们的目的是短时间持有。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) 中的文档相关。

    • MTX_DEF:一个睡眠互斥锁

    • MTX_SPIN:一个自旋互斥锁

    • 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,它们是由 lockmgr(9) 支持的。

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,未通过显式锁保护。相反,所有对这些变量的访问都使用特殊的原子操作,如 atomic(9) 中所描述的那样。很少有变量是以这种方式处理的,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

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