【操作系统百科】mutex 与 rwsem

spinlock 不能睡眠——持有时间长的临界区需要 mutex（互斥锁）和 rwsem（读写信号量）。

一、先看图

flowchart TD
    LOCK[mutex_lock] --> FAST{owner == 0?}
    FAST -- 是 --> GET[直接获取<br/>一条 CAS]
    FAST -- 否 --> SPIN{owner 在运行?}
    SPIN -- 是 --> ADAPTIVE[adaptive spin<br/>等 owner 释放]
    SPIN -- 否 --> SLEEP[加入等待队列<br/>schedule]
    ADAPTIVE --> RELEASED{owner 释放?}
    RELEASED -- 是 --> GET
    RELEASED -- 超时 --> SLEEP

    classDef fast fill:#3fb95022,stroke:#3fb950,color:#adbac7;
    classDef slow fill:#f0883e22,stroke:#f0883e,color:#adbac7;
    class GET,FAST fast
    class SPIN,ADAPTIVE,RELEASED slow
    class SLEEP slow

二、为什么 mutex 先自旋

如果 owner 正在另一个核上运行 → 它很可能马上释放锁 → 自旋等比睡眠+唤醒（两次上下文切换）更快。

这就是 adaptive spin（自适应自旋）。

三、mutex 实现

struct mutex {
    atomic_long_t owner;      // 持有者 task_struct * + flags
    raw_spinlock_t wait_lock; // 保护等待队列
    struct list_head wait_list;
    // ...
};

3.1 Fast path

owner == 0 → atomic_long_cmpxchg(&lock->owner, 0, current) → 获取。

3.2 Optimistic spinning（MCS 等待）

owner 在运行中 → 在 MCS 节点上自旋 → owner 释放时直接交接（handoff）。

3.3 Slow path

owner 不在运行 → 加入 wait_list → schedule() 睡眠。

3.4 Owner handoff

防止新来者一直抢锁（插队）→ 等待队列第一个 waiter 被标记 handoff → owner 必须直接交给它。

四、rwsem（读写信号量）

struct rw_semaphore {
    atomic_long_t count;      // 读者计数 + 写者标志
    raw_spinlock_t wait_lock;
    struct list_head wait_list;
    struct task_struct *owner;
    // ...
};

4.1 语义

• 多读者并行
• 写者独占
• 读写互斥

4.2 公平性

旧版 rwsem 不公平 → 新读者可以在写者等待时插队 → 写者饥饿。

现代 rwsem（5.x+）：写者等待时，新读者排队 → 写者优先避免饥饿。

4.3 Optimistic spinning

rwsem 同样支持 adaptive spin → writer 在运行时等，不运行时睡。

五、mutex vs semaphore

内核建议：尽量用 mutex，不用 semaphore。semaphore 主要用于计数场景。

六、ww_mutex

Wound/Wait mutex：多锁获取时避免死锁。

ww_acquire_init(&ctx, &ww_class);
ww_mutex_lock(&lock_a, &ctx);
ret = ww_mutex_lock(&lock_b, &ctx);
if (ret == -EDEADLK) {
    ww_mutex_unlock(&lock_a);
    ww_mutex_lock_slow(&lock_b, &ctx);
    // 重试 lock_a
}

GPU 驱动（DRM/TTM）大量使用。

七、PREEMPT_RT 替换

PREEMPT_RT 内核把 mutex → rt_mutex：

• 支持优先级继承
• 阻塞时让 waiter 继承 owner 优先级
• 避免优先级反转

八、lockdep 检测

lockdep 在运行时跟踪锁的获取顺序 → 检测 AB-BA 死锁模式。

============================================
WARNING: possible circular locking dependency detected

lockdep 是内核开发者的第一道防线。

九、观察

cat /proc/lock_stat                  # 锁统计（需 CONFIG_LOCK_STAT）
echo 1 > /proc/sys/kernel/lock_stat  # 启用

# lockdep
dmesg | grep -i "lock"
cat /proc/lockdep_chains

十、小结

• mutex = adaptive spin + MCS 等待 + sleep
• rwsem = 多读并行 + 写者优先
• adaptive spin 让 mutex 在低竞争时接近 spinlock 性能
• PREEMPT_RT 用 rt_mutex 替换 → 优先级继承
• lockdep 运行时检测死锁

参考文献

• kernel/locking/mutex.c
• kernel/locking/rwsem.c
• Documentation/locking/mutex-design.rst
• Waiman Long, “rwsem: Implement down_read with ACQUIRE semantics.” 2019

工具

• /proc/lock_stat
• perf lock
• bpftrace -e 'kprobe:mutex_lock_slowpath { @[kstack] = count(); }'
• lockdep

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