linux内核机制有哪些

　　Linux内核主要由5个模块构成，分别是：进程调度模块、内存管理模块、虚拟文件系统模块、进程间通信模块。

　　Linux经常使用散列表来实现高速缓存，高速缓存是需要快速访问的信息。

　　Linux为什么需要同步机制？

　　在操作系统引入了进程概念，进程成为调度实体后，系统就具备了并发执行多个进程的能力，但也导致了系统中各个进程之间的资源竞争和共享。另外，由于中断、异常机制的引入，以及内核态抢占都导致了这些内核执行路径（进程）以交错的方式运行。对于这些交错路径执行的内核路径，如不采取必要的同步措施，将会对一些关键数据结构进行交错访问和修改，从而导致这些数据结构状态的不一致，进而导致系统崩溃。因此，为了确保系统高效稳定有序地运行，linux必须要采用同步机制。

　　Linux内核提供了哪些同步机制？

　　在学习linux内核同步机制之前，先要了解以下预备知识：（临界资源与并发源）

　　在linux系统中，我们把对共享的资源进行访问的代码片段称为临界区。把导致出现多个进程对同一共享资源进行访问的原因称为并发源。

　　Linux系统下并发的主要来源有：

　　中断处理：例如，当进程在访问某个临界资源的时候发生了中断，随后进入中断处理程序，如果在中断处理程序中，也访问了该临界资源。虽然不是严格意义上的并发，但是也会造成了对该资源的竞态。

　　内核态抢占：例如，当进程在访问某个临界资源的时候发生内核态抢占，随后进入了高优先级的进程，如果该进程也访问了同一临界资源，那么就会造成进程与进程之间的并发。

　　多处理器的并发：多处理器系统上的进程与进程之间是严格意义上的并发，每个处理器都可以独自调度运行一个进程，在同一时刻有多个进程在同时运行 。

　　如前所述可知：采用同步机制的目的就是避免多个进程并发并发访问同一临界资源。

　　Linux内核中9种同步机制

　　1）每CPU变量

　　主要形式是数据结构的数组，系统中的每个CPU对应数组的一个元素。

　　使用情况：数据应在逻辑上是独立的

　　使用原则：应在内核控制路径禁用抢占的情况下访问每CPU变量。

　　2）原子操作

　　原理：是借助于汇编语言指令中对“读－－修改－－写”具有原子性的汇编指令来实现。

　　3）内存屏障

　　原理：使用内存屏障原语确保在原语之后的操作开始之前，原语之前的操作已经完成。

　　4）自旋锁

　　主要用于多处理器环境中。

　　原理：如果一个内核控制路径发现所请求的自旋锁已经由运行在另一个CPU上的内核控制

　　路径“锁着”，就反复执行一条循环指令，直到锁被释放。

　　说明：自旋锁一般用于保护禁止内核抢占的临界区。

　　在单处理器上，自旋锁的作用仅是禁止或启用内核抢占功能。

　　

　　5）顺序锁：

　　顺序锁与自旋锁非常相似，仅有一点不同，即顺序锁中的写者比读者有较高的优先级，也就

　　意味着即使读者正在读的时候也允许写者继续运行。

　　６）RCU

　　主要用于保护被多个CPU读的数据结构。

　　允许多个读者和写者同时运行，且RCU是不用锁的。

　　使用限制：

　　１）RCU只保护被动态分配并通过指针引用的数据结构

　　２）在被RCU保护的临界区中，任何内核控制路径都不能睡眠。

　　原理：

　　当写者要更新数据时，它通过引用指针来复制整个数据结构的副本，然后对这个副本进行

　　修改。修改完毕后，写者改变指向原数据结构的指针，使它指向被修改后的副本，（指针

　　的修改是原子的）。

　　７）信号量：

　　原理： 当内核控制路径试图获取内核信号量所保护的忙资源时，相应的进程被挂起；只有在

　　资源被释放时，进程才再次变为可运行。

　　使用限制：只有可以睡眠的函数才能获取内核信号量 ；

　　中断处理程序和可延迟函数都不能使用内核信号量。

　　

　　8）本地中断禁止

　　原理：本地中断禁止可以保证即使硬件设备产生了一个IRQ信号时，内核控制路径也会继续运行，

　　从而使中断处理例程访问的数据结构受到保护。

　　不足：禁止本地中断并不能限制运行在另一个CPU上的中断处理程序对共享数据结构的并发访问，

　　故在多处理器环境中，禁止本地中断需要与自旋锁一起使用。

　　9）本地软中断的禁止

　　方法1：

　　由于软中断是在硬件中断处理程序结束时开始运行的，所以最简单的方式是禁止那个CPU上的中断。

　　因为没有中断处理例程被激活，故软中断就没有机会运行。

　　方法2：

　　通过操纵当前thread_info描述符preempt_count字段中存放的软中断计数器，可以在本地CPU上激活

　　或禁止软中断。因为内核有时只需要禁止软中断而不禁止中断。