核心同步導論

關鍵概念

• 臨界區： 存取共享資料的程式碼區段。
• 競爭條件： 多執行緒同時進入臨界區導致資料不一致。
• 同步： 防止競爭條件的機制。
• 死鎖： 循環等待資源，四必要條件：互斥、佔有並等待、非搶佔、循環等待。
• 自死鎖： 同一執行緒重複請求不可遞迴鎖。
• 飢餓： 長期無法獲得資源。

並發來源

1. 中斷（隨時打斷）
2. 軟中斷/Tasklet（核心排程喚醒）
3. 核心搶佔（高優先級搶佔）
4. 睡眠/用戶空間同步（調度切換）
5. SMP 多處理器並行執行

避免死鎖原則

• 固定鎖獲取順序，記錄文件化
• 確保等待條件最終會結束
• 避免重複請求同一鎖
• 設計越簡單越不易死鎖

鎖粒度

粗粒度鎖保護大範圍資料（易爭用），細粒度鎖保護小資料結構（並行度高）。頻繁爭用時需細化粒度，多核心下效能提升明顯。

同步方法詳解

原子操作

不可分割指令，atomic_t 整數與位元操作，無需鎖，適用簡單計數器。

自旋鎖

忙等待，適合極短臨界區（不睡眠、不耗時）。注意：不可遞迴、獲取前必須關閉本地中斷（防中斷處理常同樣請求鎖造成死等）。下半部/Tasklet/軟中斷共享資料時需搭配 spin_lock_irqsave/spin_lock_bh 等變體。

讀寫自旋鎖

讀共享/寫獨享，適合「讀多寫少」場景，保留自旋特性。

信號量

睡眠鎖，爭用時進入等待隊列睡眠，釋放 CPU。適用長時間持有鎖的場景。只能在程序上下文使用（中斷上下文不可睡眠）。持有信號量時可睡眠，但不可同時持有自旋鎖。互斥信號量（計數=1）最常用。

讀寫信號量

類比讀寫自旋鎖，但爭用時睡眠而非自旋。

互斥體

簡化版信號量，嚴格擁有權語意，僅持有者可釋放，支援優先權繼承，防止優先權反轉。

完成變數

單次事件通知，wait_for_completion/complete，適合驅動程式初始化同步。

順序鎖

寫者獨佔，讀者無鎖但需重試（檢查序號），適用「寫少讀多、資料結構小」場景。

RCU (Read-Copy-Update)

極致讀端零開銷，寫端複製修改後原子替換指標，舊副本延遲釋放（等待所有預存讀者退出）。適用極度讀多寫少的全域資料結構。

選擇正確同步原語，是核心開發效能與正確性的關鍵。