内核必看： spinlock、 mutex 以及 semaphore

linux 内核的几种锁介绍 http://wenku.baidu.com/link?url=RdvuOpN3RPiC5aY0fKi2Xqw2MyTnpZwZbE07JriN7raJ_L6Ss8Ru1f6C3Gaxl1klYrX8sWGjWV0FJigMFo96Umisnf8cdnccboyczsikpye

一、 以2.6.38以前的内核为例， 讲spinlock、 mutex 以及 semaphore
1. spinlock更原始，效率高，但讲究更多，不能随便用。
2. 个人觉得初级阶段不要去深挖mutex 以及 semaphore的不同，用法类似。在内核代码里面搜索，感觉 DEFINE_MUTEX + mutex_lock_xx + mutex_unlock 用的更多。
3. 在内核里面这三个符号发挥的作用就是： 自旋锁与互斥体。
semaphore:内核中的信号量通常用作mutex互斥体（信号量初值初始化为1，即binary semaphore的方式，就达到了互斥的效果）。
mutex：顾名思义， 互斥体。
所以在内核里面，mutex_lock()和down()的使用情景基本上相同。

//spinlock.h
/******
*API
*spin_lock
*spin_lock_bh
*spin_lock_irq
*spin_trylock
*spin_trylock_bh
*spin_trylock_irq
*spin_unlock
*spin_unlock_bh
*spin_unlock_irq
*spin_unlock_irqrestore
*spin_unlock_wait
******/

//semaphore.h
用 DECLARE_MUTEX 定义了一个count==1 的信号量（binary semaphore)。

#define DECLARE_MUTEX(name)    
    struct semaphore name = __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, 1)
    
struct semaphore {
    spinlock_t        lock;
    unsigned int        count;
    struct list_head    wait_list;
};    

#define __SEMAPHORE_INITIALIZER(name, n)                
{                                    
    .lock        = __SPIN_LOCK_UNLOCKED((name).lock),        
    .count        = n,                        
    .wait_list    = LIST_HEAD_INIT((name).wait_list),        
}
    
#define init_MUTEX(sem)        sema_init(sem, 1)
#define init_MUTEX_LOCKED(sem)    sema_init(sem, 0)

/*****
*API：
*#define init_MUTEX(sem)        sema_init(sem, 1)
*#define init_MUTEX_LOCKED(sem)    sema_init(sem, 0)
*extern void down(struct semaphore *sem);
*extern int __must_check down_interruptible(struct semaphore *sem);
*extern int __must_check down_killable(struct semaphore *sem);
*extern int __must_check down_trylock(struct semaphore *sem);
*extern int __must_check down_timeout(struct semaphore *sem, long jiffies);
*extern void up(struct semaphore *sem);
****/

//mutex.h
#define DEFINE_MUTEX(mutexname)
    struct mutex mutexname = __MUTEX_INITIALIZER(mutexname)
    
    #define __MUTEX_INITIALIZER(lockname)
        { .count = ATOMIC_INIT(1)
        , .wait_lock = __SPIN_LOCK_UNLOCKED(lockname.wait_lock)
        , .wait_list = LIST_HEAD_INIT(lockname.wait_list)
        __DEBUG_MUTEX_INITIALIZER(lockname)
        __DEP_MAP_MUTEX_INITIALIZER(lockname) }

/*
 * Simple, straightforward mutexes with strict semantics:
 *
 * - only one task can hold the mutex at a time
 * - only the owner can unlock the mutex
 * - multiple unlocks are not permitted
 * - recursive locking is not permitted
 * - a mutex object must be initialized via the API
 * - a mutex object must not be initialized via memset or copying
 * - task may not exit with mutex held
 * - memory areas where held locks reside must not be freed
 * - held mutexes must not be reinitialized
 * - mutexes may not be used in hardware or software interrupt
 *   contexts such as tasklets and timers
 *
 * These semantics are fully enforced when DEBUG_MUTEXES is
 * enabled. Furthermore, besides enforcing the above rules, the mutex
 * debugging code also implements a number of additional features
 * that make lock debugging easier and faster:
 *
 * - uses symbolic names of mutexes, whenever they are printed in debug output
 * - point-of-acquire tracking, symbolic lookup of function names
 * - list of all locks held in the system, printout of them
 * - owner tracking
 * - detects self-recursing locks and prints out all relevant info
 * - detects multi-task circular deadlocks and prints out all affected
 *   locks and tasks (and only those tasks)
 */
struct mutex {
    /* 1: unlocked, 0: locked, negative: locked, possible waiters */
    atomic_t        count;
    spinlock_t        wait_lock;
    struct list_head    wait_list;
#if defined(CONFIG_DEBUG_MUTEXES) || defined(CONFIG_SMP)
    struct thread_info    *owner;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_MUTEXES
    const char         *name;
    void            *magic;
#endif
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
    struct lockdep_map    dep_map;
#endif
};

/*******
*API:
*extern void mutex_lock(struct mutex *lock);
*extern int __must_check mutex_lock_interruptible(struct mutex *lock);
*extern int __must_check mutex_lock_killable(struct mutex *lock);
*extern void mutex_unlock(struct mutex *lock);
********/

EG1-1:
    spinlock_t rtc_lock;
    spin_lock_init(&rtc_lock);//每个驱动都会事先初始化，只需要这一次初始化
    
    spin_lock_irq(&rtc_lock);
    //临界区
    spin_unlock_irq(&rtc_lock);

EG1-2:
    unsigned long flags;
    static spinlock_t i2o_drivers_lock;
    spin_lock_init(&i2o_drivers_lock);//每个驱动都会事先初始化，只需要这一次初始化

    spin_lock_irqsave(&i2o_drivers_lock, flags);
    //临界区
    spin_unlock_irqrestore(&i2o_drivers_lock, flags);

EG2:
    static DECLARE_MUTEX(start_stop_sem);
    down(&start_stop_sem);
    //临界区
    up(&start_stop_sem);

EG3:
    static DEFINE_MUTEX(adutux_mutex);
    mutex_lock_interruptible(&adutux_mutex);
    //临界区
    mutex_unlock(&adutux_mutex);

二、 2.6.38以后DECLARE_MUTEX替换成DEFINE_SEMAPHORE（命名改变）, DEFINE_MUTEX用法不变

    static DEFINE_SEMAPHORE(msm_fb_pan_sem);// DECLARE_MUTEX
    down(&adb_probe_mutex);
    //临界区
    up(&adb_probe_mutex);
    
    static DEFINE_SEMAPHORE(bnx2x_prev_sem);
    down_interruptible(&bnx2x_prev_sem);
    //临界区
    up(&bnx2x_prev_sem); 

Linux 2.6.36以后file_operations和DECLARE_MUTEX 的变化  http://blog.csdn.net/heanyu/article/details/6757917

在include/linux/semaphore.h 中将#define DECLARE_MUTEX(name)   改成了 #define DEFINE_SEMAPHORE(name)   【命名】

 　　　　 
三、自旋锁与信号量
1. 自旋锁
简单的说，自旋锁在内核中主要用来防止多处理器中并发访问临界区，防止内核抢占造成的竞争。【适用于多处理器】【自旋锁会影响内核调度】
另外自旋锁不允许任务睡眠(持有自旋锁的任务睡眠会造成自死锁——因为睡眠有可能造成持有锁的内核任务被重新调度，而再次申请自己已持有的锁)，它能够在中断上下文中使用。【不允许任务睡眠】

锁定一个自旋锁的函数有四个：
void spin_lock(spinlock_t *lock); //最基本得自旋锁函数，它不失效本地中断。
void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags);//在获得自旋锁之前禁用硬中断（只在本地处理器上），而先前的中断状态保存在flags中
void spin_lockirq(spinlock_t *lock);//在获得自旋锁之前禁用硬中断（只在本地处理器上），不保存中断状态
void spin_lock_bh(spinlock_t *lock);//在获得锁前禁用软中断，保持硬中断打开状态

2. 信号量
内核中的信号量通常用作mutex互斥体（信号量初值初始化为1就达到了互斥的效果）。

如果代码需要睡眠——这往往是发生在和用户空间同步时——使用信号量是唯一的选择。由于不受睡眠的限制，使用信号量通常来说更加简单一些。【信号量使用简单】
如果需要在自旋锁和信号量中作选择，应该取决于锁被持有的时间长短。理想情况是所有的锁都应该尽可能短的被持有，但是如果锁的持有时间较长的话，使用信号量是更好的选择。【如果锁占用的时间较长，信号量更好】
另外，信号量不同于自旋锁，它不会关闭内核抢占，所以持有信号量的代码可以被抢占。这意味者信号量不会对影响调度反应时间带来负面影响。【信号量不会影响内核调度】

3. 使用情景对比
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需求                     建议的加锁方法 
低开销加锁               优先使用自旋锁
短期锁定                 优先使用自旋锁
长期加锁                 优先使用信号量
中断上下文中加锁         使用自旋锁
持有锁是需要睡眠、调度    使用信号量
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