原由
之所以写这篇文章当然还是在面试中涉及了对本文标题的相关问题-互斥锁和自旋锁的区别。听到这个问题的时候，我是比较忐忑的。互斥锁我还能简单说一些，但是对于自旋锁的了解几乎为零。为此，将总结Linux下的相关锁-那些“锁”事儿。知之为知之，不知为不知，是知也。不懂的地方，尽快查漏补缺！
简介
我们晓得在Linux内核中，同步机制是一大特性。比较经典的有原子操作、spin_lock（自旋锁）、mutex（互斥锁）、semaphore（信号量）等。
原子操作
原子操作，也是数据库事务的一大特性。就是该操作绝不会在执行完之前被任何任务或者事件终止，要不全部执行，要不全部不执行。它是最小的执行单位，原子操作需要硬件的支持，因此是架构相关的。它的API和原子类型定义都在内核源码树的include/asm/atomic.h文件中，都是用汇编语言实现。
原子操作主要用于实现资源计数，很多引用计数就是通过原子操作实现的。
原子类型定义：
typedef struct{
volatile int counter;
}atomic_t;
volatile关键字修饰的字段可以通知gcc不要对该类型的数据做优化处理，对它的访问都是对内存的访问，而不是对寄存器的访问。
原子操作的API：
1）atomic_read(atomic_t *v);
作用：对原子类型的变量进行原子读操作，它返回原子类型的变量v的值。
2）atomic_set(atomic_t *v,int i);
作用：设置原子类型的变量v的值为i。
3）atomic_add(int i,atomic_t *v);
作用：给原子类型的变量v增加值i。
4）atomic_sub(int i,atomic_t *v);
作用：从原子类型的变量v中减去i。
5）atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);
作用：从原子类型的变量v中减去i，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。
6）atomic_inc(atomic_t *v);
作用：对原子类型变量v原子地增加1。
7）atomic_dec(atomic_t *v);
作用：对原子类型的变量v原子地减1。
8）atomic_dec_and_test(atomic_t *v);
作用：对原子类型的变量v原子地减1，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。
9）int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);
作用：对原子类型的变量v原子地增加1，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。
10）atomic_add_negative(int i, atomic_t*v);
作用：对原子类型的变量v原子地增加i，并判断结果是否为负数，如果是，返回真，否则返回假。
11）atomic_add_return(int i, atomic_t *v);
作用：对原子类型的变量v原子地增加i，并且返回指向v的指针。
12）int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);
作用：从原子类型的变量v中减去i，并且返回指向v的指针。
13）int atomic_inc_return(atomic_t * v);
作用：对原子类型的变量v原子地增加1并且返回指向v的指针。
14）int atomic_dec_return(atomic_t * v);
作用：对原子类型的变量v原子地减1并且返回指向v的指针。
原子操作通常用于实现资源的引用计数，在TCP/IP协议栈的IP碎片处理中，就使用了引用计数，碎片队列结构structipq描述了一个IP碎片，字段refcnt就是引用计数器，它的类型为atomic_t，当创建IP碎片时（在函数ip_frag_create中），使用atomic_set函数把它设置为1，当引用该IP碎片时，就使用函数atomic_inc把引用计数加1，当不需要引用该IP碎片时，就使用函数ipq_put来释放该IP碎片，ipq_put使用函数atomic_dec_and_test把引用计数减1并判断引用计数是否为0，如果是就释放Ip碎片。函数ipq_kill把IP碎片从ipq队列中删除，并把该删除的IP碎片的引用计数减1（通过使用函数atomic_dec实现）。
信号量
信号量的本质也是一个计数器，用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。用来协调不同进程间的数据对象，最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。
一般情况，为了获取共享资源，进程需要执行如下步骤：
1）测试控制该资源的信号量；
2）如果该信号量为正，就允许使用该资源，进程将型号量减一；
3）如果为0，则该资源目前不可用，进程sleep，知道信号量值大于0，才能被唤醒，从步骤1）开始执行；
4）当进程不再使用某信号量控制的资源时，信号量值加1,。如果此时有进程在sleep并等待此信号量，则可以唤醒该进程。
信号量的定义在头文件/usr/src/linux/include/linux/sem.h 中，信号量是一个数据集合，用户可以单独使用这一集合中的每个元素。
Linux2.6.26下定义的信号量结构体：
struct semaphore {
spinlock_t lock;
unsigned int count;
struct list_head wait_list;
};
从以上信号量的定义中，可以看到信号量底层使用到了spinlock的锁定机制，这个spinlock主要用来确保对count成员的原子性的操作(count--)和测试(count > 0)。
信号量的pv操作
信号量的P操作
（1）void down(struct semaphore *sem);
（2）int down_interruptible(struct semaphore *sem);
（3）int down_trylock(struct semaphore *sem);
(1)中的函数根据2.6.26中的代码注释，这个函数已经out了(Use of this function is deprecated)，所以从实用角度，彻底忘了它吧。
(2)最常用，函数原型：
/** * down_interruptible - acquire the semaphore unless interrupted * @sem: the semaphore to be acquired * * Attempts to acquire the semaphore. If no more tasks are allowed to * acquire the semaphore, calling this function will put the task to sleep. * If the sleep is interrupted by a signal, this function will return -EINTR. * If the semaphore is successfully acquired, this function returns 0. */ int down_interruptible(struct semaphore *sem) { unsigned long flags; int result = 0; spin_lock_irqsave(&sem->lock, flags); if (likely(sem->count > 0)) sem->count--; else result = __down_interruptible(sem); spin_unlock_irqrestore(&sem->lock, flags); return result; } |
函数说明：在保证原子操作的前提下，先测试count是否大于0，如果是说明可以获得信号量，这种情况下需要先将count--，以确保别的进程能否获得该信号量，然后函数返回，其调用者开始进入临界区。如果没有获得信号量，当前进程利用struct semaphore 中wait_list加入等待队列，开始睡眠。
对于需要休眠的情况，在__down_interruptible()函数中，会构造一个struct semaphore_waiter类型的变量struct semaphore_waiter定义如下：
struct semaphore_waiter
{
struct list_head list;
struct task_struct *task;
int up;
};
将当前进程赋给task，并利用其list成员将该变量的节点加入到以sem中的wait_list为头部的一个列表中，假设有多个进程在sem上调用down_interruptible，则sem的wait_list上形成的队列如下图：
(注：将一个进程阻塞，一般的经过是先把进程放到等待队列中，接着改变进程的状态，比如设为TASK_INTERRUPTIBLE，然后调用调度函数schedule()，后者将会把当前进程从cpu的运行队列中摘下)
